[發明專利]光晶體管集成傳感核心的無光柵量子點光譜探測器

有效

• 申請號: 202110242558.0
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN112864270B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 劉向;湯振武;石林;彭正;陳思安;林海鑫
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 蘇虹

本發明公開了一種光晶體管集成傳感核心的無光柵量子點光譜探測器，包括基底、柵電極、柵絕緣層、源電極、P型有源層、I型量子點感光層、N型半導體層、漏電極，其中不同波段的量子點可用于為不同像素的晶體管探測器。利用柵極作為行掃描線，通過源漏極作為信號讀取線路讀取光譜信號，并利用與背景光電信號的差值實現被測物的光譜測量。本發明解決了傳統光譜探測器光學分光組件體積過大，光電信號讀取分離以及探測波段局限等系列難題，實現了利用量子點的窄帶寬光電響應特點以及薄膜晶體管(TFT)光電集成度高的優勢，制造出不需要光柵分光的量子點晶體管型的光譜探測器。

技術領域

本發明涉及探測器，特別是涉及一種無光柵量子點光譜探測器。

背景技術

目前，應用于工業領域金屬成分、含量、銹蝕等信息識別的快檢儀器得到了極大的發展。但是，利用超聲波回波信號的無損探測器、以及電化學類的有損的檢測儀器極為笨重，價格昂貴(普遍在8萬元以上)，難以便攜測量不夠精確，且無法大規模裝備。

通過光電光譜傳感器能精確快速的對金屬含量、氣體成分進行識別，便于大規模裝備，并拓展快速檢測技術在工業領域的應用范圍。而包括X射線無損檢測(XRD等)、傅里葉紅外光譜儀、紅外拉曼光譜儀等在內的光電光譜測試儀器，裝備有龐大的分光光柵，機械掃描裝置等部件。在體積、價格、兼容性、智能化方面面臨著巨大的挑戰，僅能夠滿足科研與實驗室標準化檢測等需求。因此，制造一種無光柵結構的光譜探測器，對光譜儀器的大規模應用具有重大意義。

發明內容

發明目的：基于現有技術中光電光譜傳感器存在的不足，如光柵分光組件體積龐大，探測元件和電信號讀取元件難以集成，探測范圍小，信號讀取持續性差，效率低下等問題；本發明提供一種TFT集成傳感核心的無光柵量子點光譜探測器，是一種高度集成的基于P-I-N異質結的高效率光電光譜探測器，具有更高的轉換效率和集成化程度，更強的基底適配性。

技術方案：本發明所述的光晶體管集成傳感核心的無光柵量子點光譜探測器是一種基于P-I-N光電TFT的高效率光譜探測器，探測器的傳感單元包括基底，設于基底上方的柵絕緣層，嵌于柵絕緣層和基底之間的柵電極，設置于柵絕緣層上方的源電極(-)、P型有源層、量子點感光層，設于量子點感光層上方的N型半導體層，以及設置于N型半導體層上方的漏電極(+)，P型有源層、量子點感光層、N型半導體層構成P-I-N光電異質結構，且量子點感光層摻雜有中心波長不同的量子點，使集成后的TFT陣列每個傳感器單元的探測中心波長不同。

其中，柵電極作為行掃描線路；P型有源層與N型半導體層反偏連接成P-I-N溝道，并利用源漏極信號讀出為傳感單元的輸出信號。不同波段的量子點可用于為不同像素的晶體管探測器，通過信號讀取電路讀取光譜信號，并利用與背景光電信號的差值實現被測物的光譜測量。這種探測中心波段不同的光譜探測器，能夠替代傳統光譜儀前端的光柵分光的功能，具備應用在未來便攜，甚至可穿戴的光譜儀器中的巨大應用潛力。

所述量子點感光層利用感光波長不同的量子點感應核心測試不同波段對應的電流電壓信號。感光層中摻雜量子點為硒化鎘量子點(400-700nm)，也可以是不同波段的碳量子點(500-700nm)、硅量子點(500-850nm)、鍺量子點(900-1500nm)、硒化鋅量子點(300-450nm)、硫化鉛量子點(300-450nm)、碲化鉛量子點(1000-1600nm)、以及硫化銅量子點其中的一種或者多種。

本發明的晶體管制備方法，包括如下步驟：

(1)在基底上沉積電極，并刻蝕形成平面柵電極，作為附圖傳感陣列的行掃描線路；在基底上沉積無機或有機的柵絕緣材料的柵絕緣層；

(2)利用光刻或打印等半導體圖形化制造方式在柵絕緣層上沉積電極，并圖形化為平面源電極；

(3)在平面源電極上利用蒸鍍、沉積或其他轉移技術制備P型有源層后，旋涂或打印方法制造量子點感光層；