[發明專利]一種有機聚合物光敏晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201811257430.6
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109545983B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 劉琳琳;馬於光;解增旗;首美花;韓滔
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/42;H01L51/44;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳智英

本發明屬于光敏晶體管的技術領域，公開了一種有機聚合物光敏晶體管及其制備方法。所述有機聚合物光敏晶體管自下至上依次包括襯底、金屬納米粒子層、有機絕緣層、有機光敏層和金屬電極；所述有機光敏層包括有機光敏材料和電子受體材料；所述有機光敏材料為FBT?Th4(1,4)、PBDB?T或PDPPBTT；所述電子受體材料為PC₆₁BM或ItIc；電子受體材料的用量≥0。本發明還公開了有機聚合物光敏晶體的制備方法。本發明的光敏晶體管具有暗電流低、載流子濃度集中、光電流大的特點，實現了高探測率并降低了載流子壽命，提升了器件的響應速率。本發明的光敏晶體管為目前探測率最高的有機光探測器。

技術領域

本發明屬于光敏晶體管的技術領域，具體涉及一種有機聚合物光敏晶體管及其制備方法。

背景技術

光探測器在光通信、圖像傳感和遙控裝置等領域有廣泛的應用。有機光電晶體管探測器由于其在單個器件中結合電信號放大和光檢測的獨特特征而引起了極大的關注。外量子效率、響應度、探測比率和響應速度及暗電流是光探測器的重要參數。要獲得快速的響應速度，需要有足夠低的載流子壽命和快速的激子分離。而要獲得大的探測比率，除了要具有大的光電流之外，還需要具有足夠低的暗電流。因此，降低暗電流是提升探測器性能的重要指標。

傳統的光探測器通常由單晶硅、碳化硅或氮化鎵p-n結光電二極管制成。然而，這種無機光探測器由于其高成本和低響應度而不適用于某些應用。有機光探測器，同時具有有機聚合物的能隙調控空間大、大頻譜響應范圍、成本低、柔性、質量輕、易溶液加工和晶體管的柵控模式、易集成電路等優點，使其成為光探測器材料的研究熱點，展現出了極大的發展潛力。目前有機光探測器分為垂直型結構和水平型結構兩種。垂直型結構響應速率快，但由于暗電流大而具有較小的探測率。水平結構又分為水平二極管結構和光敏晶體管結構。水平二極管探測器中，載流子溝道長，暗電流較低，具有較大的探測率，但由于長溝道導致載流子壽命大，器件的響應速率慢，且電流在整個活性層中流動，載流子濃度低，導致較低的探測靈敏度和較高的噪聲。與水平二極管相比，由于場效應晶體管的獨特工作機制，光敏晶體管可以表現出更高的靈敏度和更低的噪聲，此外，光敏晶體管將光檢測和信號放大組合在一起，可以輕松集成到各種光電子器件/電路中。但是，由于光敏晶體管結構中，載流子溝道長且聚合物載流子遷移率相對較低，阻礙了光生載流子收集并限制了EQE、線性動態范圍和時間響應等性能指標，而且會導致高的響應時間和噪聲電流，因此目前報道的光敏晶體管結構中，光敏材料主要為金屬鹵化物鈣鈦礦以、無機納米晶體和量子點等，不能實現能隙調控空間大、吸收波長范圍大、成本低、易于溶液加工和柔性等特點。同時聚合物光敏晶體管的研究較少。

發明內容

針對現有有機光敏晶體管中載流子溝道較長和聚合物材料遷移率較低導致的響應速率小、光電流小和噪聲電流大等問題，本發明提供了一種有機聚合物光敏晶體管及其制備方法。本發明的光敏晶體管具有暗電流低、載流子濃度集中、光電流大的特點，實現了高探測率并降低了載流子壽命，提升了器件的響應速率。

本發明的光敏晶體管采用高遷移率的聚合物、光敏晶體管結構以及金屬納米粒子捕獲電荷后形成的內建場，提升了器件的光電流，從而提升器件的外量子效率等探測性能參數；并利用本體異質結和金屬納米粒子的電荷捕獲作用降低了器件的暗電流，進一步提升光敏晶體管的探測率，獲得了目前有機光探測器的最高探測率(1.23×10¹⁸Jones)。同時，光敏層中的本體異質結，利于激子的分離和傳輸；光照時納米粒子的空穴捕獲作用，以及去除光照后捕獲空穴的釋放作用，促進了激子的分離和去光后殘留電子的中和，有效的提升了器件的響應速率。而且本發明的含金屬納米粒子的光敏晶體管中光敏材料為共軛聚合物，具有能隙調控空間大、吸收波長范圍大、成本低、易于溶液加工和柔性等優點，展現出了極大的發展潛力。