[发明专利]来自溶液处理的无机半导体的空气稳定红外光探测器

说明书

光探测器具有半导体无机纳米颗粒的光活性层，所述光活性层设置在第一金属氧化物的空穴传输电子阻挡层与第二金属氧化物的电子传输空穴阻挡层之间。纳米颗粒响应于光谱的至少红外区域中的电磁辐射。第一金属氧化物可以是NiO，并且第二金属氧化物可以是ZnO或TiO₂。即使在光探测器周围没有封装涂层，金属氧化物层也使得光探测器在空气中稳定。光探测器具有P‑I‑N结构。

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2013年8月29日提交的美国临时申请序列号61/871579的优先权，其全部内容(包括任何数字、表格或附图)据此通过引用并入本文中。

背景技术

光通信、遥感、光谱学、光电子学以及成像技术仅是红外光探测器以及宽带光探测器能够实现的应用中的一些。在这些光探测器中，光敏材料吸收可见范围和/或短波红外(SWIR)范围内的光信号，并且将该光信号转换成电信号。常规光探测器通常在真空处理条件下制造，该条件与高产量、廉价的制造技术不相容。光探测器的市场渗透因光探测器的高制造成本和/或低性能而受限。近来，已经在努力地通过开发可以由溶液工艺制备的装置来解决高制造成本问题。

胶体量子点作为用于一系列光电装置(包括光探测器)的材料是有吸引力的，原因是胶体量子点是可溶液处理的，这扩展了可以使用的基底(包括集成电路)的类型。就其本质而言，量子点的尺寸可以调整，以实现期望的光学吸收光谱。这可形成薄膜光探测器，其构成低成本、轻量、柔性的平台。由于对于半导体所需的处理条件的不相容性，常规单晶半导体被排除与柔性电子器件(特别是包含有机材料的柔性电子器件)集成。胶体量子点的溶液或悬浮体允许使用旋涂、喷铸、或喷墨印刷技术在几乎任何基底上沉积。没有产生晶格失配的担忧，并且柔性基底允许进行大面积的处理。

已经做出一些努力来在光探测器中使用量子点。Konstantatos等，Proceedingsof the IEEE 2009,97,(10),1666-83公开了通过PbS量子点的溶液沉积来形成光探测器。在PbS纳米晶膜与铝接触体之间形成有光电二极管，平坦透明的ITO薄膜形成相对的欧姆接触。MacDonald等，Nature Materials 2005,4,138-42公开了可溶液处理的装置，在该装置中形成有玻璃、铟锡氧化物(ITO)、聚(对亚苯基亚乙烯基)(PPV)、MEH-PPV/PbS纳米晶共混物、以及上部镁接触体的夹层结构。除了用作空穴传输层以外，PPV层通过形成在其上浇铸有共混膜的平滑且无针孔的预层而提供了更好的电稳定性，从而消除了从上部接触体直接通向ITO的灾难性短路；通过在ITO接触体处引入注入势垒减少了暗电流；增加了光电流与暗电流的比例；以及允许在电击穿之前更高的偏压，从而导致更高的内电场，更有效的光生载流子提取，以及更高的光电流。

发明内容

本发明的实施方案涉及包括半导体无机纳米颗粒的光活性层的光探测器，所述光活性层设置在包含第一金属氧化物的空穴传输层与包含第二金属氧化物的电子传输层之间。光活性层可以响应于光谱的红外(IR)区域中的电磁辐射和/或更高能量的电磁辐射。金属氧化物涂层可以在没有封装的情况下提供低噪声和空气稳定性。空穴传输层可以包含NiO和/或CuO。电子传输层可以包含ZnO或TiO₂。半导体无机纳米颗粒可以包含铅的硫属元素化物(例如，PbS、PbSe)、铅的硫属元素化物的合金、汞的硫属元素化物(例如，HgS、HgSe、HgTe)、汞的硫属元素化物的合金、基于铟和/或镓的III-V族半导体(例如，GaN、GaP、GaAs、InP)、硅、或其任意组合。半导体无机纳米颗粒可以是PbS或PbSe。在一些实施方案中，光探测器可以是响应于电磁光谱的至少可见和红外区域中的电磁辐射的宽带光探测器。可以使用响应于电磁光谱的紫外和/或可见区域中的电磁辐射的纳米颗粒。例如，适合的纳米颗粒的非限制性实例包括硒化镉、硫化镉和硒化锌。