[发明专利]基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于体异质结‑分层结构的高性能有机晶体管光电探测器，包括衬底及依次设置在衬底上的栅极、栅极介电层、单分子自组装层、沟道半导体层和电荷传输层，所述电荷传输层上的部分区域还设置有源电极和漏电极，所述电荷传输层上的源电极和漏电极之间的沟道区域还设置有体异质结吸光层。本发明的有机晶体管光电探测器基于上述特定的分层结构，能充分利用CTE效应，有效分离光生激子并减少其复合几率，保证电荷载流子在沟道中的高效传输，明显提升OPTs器件的光探测灵敏度等综合性能。

技术领域

本发明属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管、以及包含所述有机晶体管的光电探测器，更具体地涉及一种工作波段为紫外光、可见光、红外光及全波段的基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转化成电信号的器件，在军事和国民经济的各个领域都有重要的应用。在20世纪80年代前，光电探测器主要建立在无机半导体的基础上，如GaN和SiC等，其制备工艺复杂、成本较高。比较而言，以有机场效应晶体管(Organic Field-effect Transistors,OFETs)为功能器件的有机晶体管光电探测器(OrganicPhototransistors,OPTs)因具有灵敏度高、柔性好、重量轻、制备工艺简单、制造成本低、环保无害等诸多优点，逐步得到广泛使用。例如可见光或近红外光探测器可用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等领域，红外光电探测器可用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面，紫外光电探测器可用于紫外光通信、紫外制导、紫外成像、生物传感、森林火灾预警等。

为了提高OPTs的光探测灵敏度和响应速度等性能，人们做了大量的研究，除了选择合适的有机半导体材料、优化薄膜形貌及其制备方法以外，最新研究发现，还可以通过电荷俘获效应(Charge trapping effect，CTE)进行改善。即通过在光敏材料中加入极性介电聚合物或者在器件中引入极性介电聚合物层，使有机半导体材料和其它量子点材料形成体异质结或者层异质结，从而有效提高OPTs的探测性能。目前有关CTE效应对OPTs性能的研究已经开展了一些工作，但是依然存在几个重要的问题，下文以基于p型半导体材料的OPTs为例进行说明。

基于电子给体与受体分布形式的不同，OPTs分为层异质结和体异质结两种结构。对于层异质结结构，给、受体分别以层状薄膜的形式先后叠加，极性介电聚合物或者量子点可以在一定程度上促进激子的有效分离并且俘获电子，使光生空穴进入沟道区域产生光电流。但是由于有机半导体层有一定的厚度(比如100nm)，并含有晶界、杂质等缺陷，电子在穿过该有机层使会经历大量的散射，使其在被电子受体层俘获前需要经历较长的时间，此外在p型有机半导体中，电子很难迁移，在穿过有机层的过程中会有更大的几率和空穴复合，不能实现高效的激子分离和俘获电子。

对于体异质结结构，给、受体材料共混形成光电转换活性层，量子点或者极性介电聚合物被分散混合于有机半导体层中，激子可以有效地分离，并且电子无需穿过一定厚度的有机半导体层，从而快速地被离它最近的量子点束缚，这似乎解决了层异质结结构中存在的种种问题。但是由于在OPTs的沟道中也存在量子点或聚合物，当空穴在沟道中传输时，这些量子点或聚合物本身会成为空穴输运的障碍。空穴在有机半导体中通过跳跃模式传输，当沟道中存在量子点时，这些量子点本质上是n型半导体，相当于给空穴造成了大的势垒，空穴会受到散射及阻碍，从而不能实现高效输运，这将直接导致OPTs的光电流下降及响应时间延长(时间响应与沟道载流子的迁移率有关)。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种以薄层有机半导体材料作为沟道有源层、体异质结作为吸光层，具有单分子自组装层和电荷传输层的新型高性能有机晶体管光电探测器。基于上述特定的分层结构，本发明的有机晶体管光电探测器能充分利用CTE效应，有效分离光生激子并减少其复合几率，保证电荷载流子在沟道中的高效传输，明显提升OPTs器件的光探测灵敏度等综合性能。