[发明专利]一种硅基红外上转换器件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅基红外上转换器件及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：利用包含醇和碱的溶液的湿刻蚀溶液刻蚀具有窗口阵列的单晶硅基底，以在所述单晶硅基底的窗口阵列上形成锥形微纳结构；利用共蒸镀法在所述锥形微纳结构的表面沉积二硒化钼薄层结构，并退火，获得二硒化钼和硅的异质结；在所述单晶硅基底的与所述窗口阵列所在表面相反的另一表面形成底电极，在所述二硒化钼和硅的异质结上依次形成有机发光层和顶电极，从而制备获得硅基红外上转换器件。本发明方案极大提高了硅基红外上转换器件的探测波段上限，最大可以将硅基红外上转换器件的探测波段上限从现有技术中的1.1μm提高至1.8μm。

技术领域

本发明涉及短波红外成像技术领域，尤其涉及一种硅基红外上转换器件及其制备方法。

背景技术

短波红外(SWIR)一般定义为波段在0.9-1.7μm的电磁波。不同于可见光波，短波红外无法用人类肉眼观测。短波红外成像正在成为多领域、多应用场景的重要技术，包括半导体晶圆检测、农产品检测、生物医学检测、宇宙遥感、军事侦察、汽车夜视系统、安全监控系统、各类半导体激光器、红外发光二极管发射光跟踪、校对、识别以及光通讯设备光束校对等。

传统的短波红外成像仪的核心部分为基于InGaAs等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的短波红外成像芯片。由于制造传统短波红外成像芯片所必需的InP基底材料、外延生长技术、铟柱互联技术成本高昂，导致其造价是可见光成像的硅基成像芯片的数百倍。而硅材料因为只能吸收1.1μm以内的光波，即使成本低廉且加工技术成熟，也无法应用在高于1.1μm波段(特别是1.55μm)的短波红外产业领域。近年，有人提出了InGaAs/InP PIN光电探测器与有机发光二极管串联集成的上转换器件结构，避开了铟柱互联，降低了短波红外探测的成本。然而，由于还需要在InP基底上外延生长InGaAs材料，制备成本还是远高出硅基探测器数十倍。因此，能否绕过外延生长、铟柱互联等技术路线，基于廉价的硅基底制备短波红外成像芯片，实现对1.1μm以上波段的红外探测，是短波红外成像技术能否大幅降低成本并大规模商业应用的关键。

发明内容

本发明的一个目的是要解决现有技术中硅材料无法应用在高于1.1μm波段，特别是1.55μm波段的短波红外产业领域的技术问题。

特别地，本发明提供了一种硅基红外上转换器件的制备方法，包括如下步骤：

利用包含醇和碱的溶液的湿刻蚀溶液刻蚀具有窗口阵列的单晶硅基底，以在所述单晶硅基底的窗口阵列上形成锥形微纳结构；

利用共蒸镀法在所述锥形微纳结构的表面沉积二硒化钼薄层结构，并退火，获得二硒化钼和硅的异质结；

在所述单晶硅基底的与所述窗口阵列所在表面相反的另一表面形成底电极，在所述二硒化钼和硅的异质结上依次形成有机发光层和顶电极，从而制备获得硅基红外上转换器件。

可选地，所述通过共蒸镀法在所述锥形微纳结构的表面沉积二硒化钼薄层结构，并退火，获得二硒化钼和硅的异质结的步骤中，所述共蒸镀法包括如下步骤：

将钼蒸发源和硒蒸发源置入蒸发器中；

在所述钼蒸发源和所述硒蒸发源的共蒸发速率之比为1:2.5-4.5的条件下共蒸发10-30s。

可选地，所述通过共蒸镀法在所述锥形微纳结构的表面沉积二硒化钼薄层结构，并退火，获得二硒化钼和硅的异质结的步骤中，所述退火的条件为：采用分段式阶梯升温的方式进行退火，其中，所述分段式阶梯升温由第一阶段升温和第二阶段升温组成；

所述第一阶段升温的条件为在100-300℃下维持0.5-3min；

所述第二阶段升温的条件为在650-850℃下维持20-40s。

可选地，利用包含醇和碱的溶液的湿刻蚀溶液刻蚀单晶硅基底，以在所述单晶硅基底的第一表面形成锥形微纳结构的步骤中，所述湿刻蚀溶液包括以下组分：