基于有机半导体和钙钛矿的高性能宽光谱光探测器研究

发布时间：2020-07-23 18:38

【摘要】：随着电子科技的高速发展,光电子产品在人类社会中扮演的角色越来越重要,普遍应用于社会生活、工业生产和科学研究的各个领域。其中,光探测器作为光电子器件成员之一,为光电子领域做出了巨大贡献,尤其是宽光谱光探测器在各类光探测应用中起着举足轻重的作用。基于传统无机半导体的宽光谱光探测器已经发展的相当成熟,成为现代光电子产业的重要支柱。然而,基于无机半导体的宽光谱光探测器也存在不足的地方,如价格昂贵、制备过程复杂、资源消耗大、机械柔性差等诸多方面,不能满足光探测器在新型应用背景下日益增长的需求。于是,具备价格便宜、制备容易、种类繁多、柔性衬底兼容性好等优势的有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿引起了广泛的关注。因此,我们开发了新一代基于有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿活性材料的宽光谱光探测器,主要从三个方向成功构筑了高性能的宽光谱光探测器:首先,光敏场效应管具有栅压调制功能,可放大光信号从而获得高的光敏性能,但是基于全有机活性层的宽光谱光敏场效应管的报道甚少。我们采用高迁移率的富勒烯C_(60)作为光敏场效应管的沟道层,采用具有互补吸收光谱的三层异质结构C_(60)/PTCDA/SnPc作为光敏层,通过沟道优化成功研制了基于全有机活性层的宽光谱光敏场效应管。利用沟道层和光敏层的高效协同作用,在300-1000 nm光谱范围内获得了高达56.88 A/W光响应度和9.15×10~(12) Jones的比探测率,从而实现了高性能的紫外-可见-近红外宽光谱光探测。而且,用体异质结替换平面异质结光敏层,进一步提升了光探测性能。接着,光敏二极管具有大的光线开口率、快的响应速度和低的驱动电压等优势。相比于多层结构器件,双层结构光敏二极管寄生电容小,有利于响应速度提升。而由于有机-无机杂化钙钛矿薄膜表面覆盖度低、泄露电流太大而难以构筑少层垂直结构钙钛矿光敏二极。我们采用聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰有机-无机杂化钙钛矿(MAPbI_3)薄膜,通过优化PVP的浓度获得了最佳性能的钙钛矿薄膜,再结合近红外敏感的有机半导体酞菁铅(PbPc)形成异质结,成功构筑了简单双层垂直结构宽光谱光敏二极管。在紫外-可见-近红外光谱范围,光谱均匀因子高达0.77,光响应度超过10 A/W,响应时间小于0.46 ms。最后,光电导探测器是一种无极性两端光探测器,随着外加电压的增大可实现光电导增益,然而却伴随着增大的噪声。我们采用紫外-可见光吸收的有机-无机杂化钙钛矿MAPbI_3和近红外吸收的有机半导体酞菁锡(SnPc)作为活性层材料,构建了横向结构宽光谱光电导探测器。通过优化SnPc层在器件中位置,确立了最佳配置的器件结构,获得了低至~0.01 nA的超低皮安级暗电流和高达~10~5的超高光敏性。而且,通过MAPbI_3/SnPc异质结构增强了器件性能,并将光响应延伸到980 nm波长,从而成功开发了超高光敏性的紫外-可见-近红外宽光谱光电导探测器。总之,我们结合时代发展的需求,聚焦新一代光电子产品的优势,探索通过有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿作为活性层构建宽光谱响应光探测器,成功实现了高性能的紫外-可见-近红外超宽光谱光探测,为以后新型光探测器的发展铺垫了道路。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15
【图文】：

光探测器

光探测器各种各样的应用

光探测器,有机-无机杂化,宽光谱,有机半导体

基于有机半导体和钙钛矿的高性能宽光谱光探测器研究2图1-2 基于有机半导体和有机-无机杂化钙钛矿的宽光谱光探测器：（a）有机光敏二极管[8]；（b）和（c）有机光敏场效应管[9,10]；（d）和（e）钙钛矿光探测器[11,12]，以及（f）光探测器在不同光谱波段的典型应用[13]广泛应用于数字影像领域常见的感光元件电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体芯片（CMOS）等光电器件中。当今，各种新型光探测器如雨后春笋，应社会和时代的需要而产生，如研究热度很高的有机光探测器，有机-无机杂化光探测器，量子点光探测器以及其他低维材料光探测器等等。在这些光探测器中，宽光谱响应光探测器由于其优异的性能和广泛的应用而已经成为光探测领域的研究热点。宽光谱光探测器有很宽的光谱探测范围，一般对紫外光、可见光到近红外光都有较好的光响应，可以满足不同光波段探测的需求，这就使一个单一的光探测器实现不同光探测功能成为现实

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外光的探测，例如美国 Teledyne Judson Technologies 公司的 J16 型锗光电二极管的响应光谱范围为 600 nm~1800 nm，如图 1-3（e）所示，图 1-3（a）为锗光电图1-3 传统商用无机宽光谱光探测器实物以及光敏性能图：（a）和（e）J16系列锗光敏二极管；（b）和（f）S1227-BQ系列硅光电二极管；（c）和（g）G12180-030A型铟镓砷PIN光电二极管；（d）和（h）J13系列PbS光电导探测器（来源于Teledyne Judson Technologies和Hamamatsu）

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