CN113178497A - 一种基于量子点的紫外探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子点的紫外探测器及制作方法，紫外探测器结构包括封装外壳、石英平凹透镜、短通膜、量子点膜、光电二极管，其中封装外壳置于光电二极管上，石英平凹透镜放置于封装外壳的通光孔中，短通膜沉积在石英平凹透镜的凹面，量子点膜涂覆在短通膜上。本发明提供的基于量子点的紫外探测器，通过短通膜实现对可见光的截断，利用量子点的荧光下转换特性可以实现由紫外光向可见光的转换，进而实现紫外光的探测，具有成本低、响应度高、暗电流低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于量子点的紫外探测器及制作方法，属于光电探测技术领域。
背景技术
光电探测器是指在光辐射作用下将非传导电荷变为传导电荷的一类器件，可见光的探测技术已经非常成熟了，但是对于频率高、单光子能量大的紫外光来说，更容易被吸收，很难被直接探测到。
常见的紫外探测器可以分为光电导型、肖特基型、金属-半导体-金属(MSM)型、金属-绝缘-半导体(MIS)型、PN型、PIN型等。
光电导型探测器中两个电极与半导体薄膜形成欧姆接触，在入射光照射下半导体薄膜的电导率发射变化，器件的探测性能主要依赖于半导体的光敏电阻特性，具有响应度高、响应速度慢、信噪比差的特点。肖特基型光电探测器基于电极和半导体材料界面处肖特基势垒，是一种肖特基二极管，具有响应速度快、暗电流较低、光响应增益较低的特点。
MSM型结构是在肖特基结型探测器基础上改善而来的，是由两个背对背的金属－半导体接触构成的。MSM结构光电探测器通常具有非常快的响应度，灵敏度较高。此外，对称电极结构可以很好地减小肖特基结地寄生结电容，也可以通过改变叉指地结构参数包括电极宽度、间距和长度等来改变器件的光相应性能，使器件获得较大的光响应增益。
PN结型光电二极管与肖特基型不同的是，PN结型是少数载流子传输占主导的少子型器件，由于少子本身浓度低，光生载流子对少子的浓度的改变往往是量级上的，因此PN结探测器通常具有较高的探测灵敏度，信噪比也高。但由于少子器件内电荷存储效应的存在，PN结光电二极管的高频响应特性很差。
PIN光电探测器是在PN结型结构上延生出来的，是通过在p型和n型半导体之间***绝缘层i制备而成的。PIN型结构增大了耗尽区宽度，i层的存在使光生载流子迅速被强电场扫描到两侧电极，增加了光生电子的收集效率，比PN结型具有更高的灵敏度异和光响应度。
综上所述，不同结构的光电探测器表现出较大的性能差异，根据所需的探测性能和应用环境来选择器件结构。
利用荧光材料将不易被直接探测到的紫外光转换成可见光，以实现紫外光的探测的研究已有半个世纪之久。现被科研证实可用的荧光材料有水杨酸钠、四苯基—丁二烯等，但这些有机材料稳定性差、易升华，还需在其表面镀一层保护膜，会降低探测器的感光效果。量子点属于纳米荧光材料的一种，其在紫外探测的应用研究相对较少，但是基于量子点的荧光下转换特性，量子点膜在太阳能电池中的应用是近年来纳米材料领域的一大热点。此外常用的紫外探测器基于禁带宽度大的半导体材料，如SiC材料、GaN材料、AlGaN材料、ZnO材料与金刚石材料。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种基于量子点的紫外探测器及制作方法，通过量子点的荧光下转换特性将紫外光转换成可见光，结合短通膜对于可见光部分的截断，达到探测紫外光的目的，具有成本低，响应度高、暗电流低的特点。
技术方案：为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于量子点的紫外探测器，紫外探测器包括封装外壳、石英平凹透镜、短通膜、量子点膜、光电二极管，其中封装外壳置于光电二极管上，石英平凹透镜放置于封装外壳的通光孔中，短通膜均匀沉积在石英平凹透镜的凹面，量子点膜均匀涂覆在短通膜上。
进一步的，所述短通膜为高折射率材料和低折射率材料交替镀制的多层膜结构。
进一步的，所述高折射率材料采用HfO2，所述低折射率材料采用SiO2。
进一步的，所述量子点膜为掺杂量子点与成膜剂PMMA混合制成的薄膜。
进一步的，所述掺杂量子点为ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点。
一种基于量子点的紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1.光电二极管的准备：光电二极管选用工作在可见光波段的背照式PIN光电二极管；
步骤S2.石英平凹透镜的准备：石英平凹透镜选用平凹透镜，平面面向光源，凹面面向探测器；
步骤S3.封装外壳的准备：封装外壳将石英平凹透镜固定在光电二极管上，封装外壳的通光孔大小需与石英平凹透镜的大小相吻合，通光孔的位置在光电二极管感光面正中央，并使得石英平凹透镜与光电二极管的表面贴合；
步骤S4.短通膜的制备：短通膜采用能在紫外波段透明的HfO2作为高折射率材料、SiO2作为低折射率材料，交替镀制在石英平凹透镜的凹面；
步骤S5.量子点膜的制备：使用ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点与成膜剂PMMA混合超声后的溶液，将该溶液涂覆于短通膜上，干燥后得到将紫外光转换成可见光的量子点膜。
进一步的，所述步骤S4中，短通膜使用物理气相沉积的方式镀制到石英平凹透镜的凹面上。
进一步的，步骤S5中，所述量子点采用交替离子层吸附方法生长而成，其中量子点核部分采用共成核的生长方式。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于本发明所用的光电二极管为工作在可见光波段的PIN二极管，因此具有PIN二极管的暗电流低、响应速度快等优点；同时由于本发明是将紫外光转换成了可见光，而光电二极管在可见光波段的响应度高，因此本发明在紫外波段有较高的响应度。
附图说明
图1是本发明实施例基于量子点荧光下转换的紫外探测器的结构图。
附图标记说明：
封装外壳1，石英平凹透镜2，短通膜3，量子点膜4，光电二极管5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本发明提供的一种基于量子点的紫外探测器及制作方法，如图1所示为基于量子点的紫外探测器结构，包括封装外壳1、石英平凹透镜2、短通膜3、量子点膜4、光电二极管5，其中封装外壳1置于光电二极管5上，石英平凹透镜2放置于封装外壳1的通光孔中，短通膜3沉积在石英平凹透镜2的凹面，量子点膜4涂覆在短通膜3上。光电二极管5采用传统的硅基材料的PIN二极管，通过短通膜3将入射光中可见光截断，量子点膜4将紫外光转换成可见光，充分利用PIN二极管在可见光部分响应度高的优点，将优势探测波段转移到紫外波段，实现在紫外波段的高响应度探测。
短通膜3为高折射率材料和低折射率材料交替镀制的多层膜结构，采用能在紫外波段透明的HfO2、SiO2作为高、低折射率材料。
光电二极管5为工作在可见波段的PIN光电二极管。
量子点膜4为掺杂量子点与成膜剂即聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)混合后制成的薄膜；
其中，掺杂量子点为ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点，ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点是一种绿色无毒的半导体材料，性能稳定，具有单个荧光峰位，在570nm左右，位于PIN二极管的敏感区域，吸收谱在400nm之前，对应PIN二极管不敏感区域，且可见光部分无法激发量子点荧光。
斯托克斯(stokes)位移是相同电子跃迁在吸收光谱和发射光谱中最强波长间的差值，是一个表示分子发光特性的物理常数。本发明的量子点是锰掺杂量子点，包覆宽禁带半导体材料，可以产生较大的stokes位移，有效避免量子点自吸收，并有较高的光谱转化效率。
掺杂量子点的制备方法采用交替离子层吸附法。为了提高量子点核中Mn2+的掺杂比例，以提高量子产率，采用了共成核方法生长量子点核。与一般的交替离子层吸附法相比，共成核掺杂生长出来的量子点在量子产率上有所提高。
由于本发明使用的量子点会将紫外光转换成可见光再被二极管吸收，所以二极管的工作波段必须包含可见波段。在本实施例中，PIN二极管选用北京敏光科技LSSPD-10型号的光电二极管，这是一种在可见、红外波段敏感，在紫外部分探测响应度近乎为0的光伏型探测器。
本发明提供的一种基于量子点的紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1.光电二极管5的准备：
光电二极管5选用工作在可见光波段的背照式PIN光电二极管；
步骤S2.石英平凹透镜2的准备：
石英平凹透镜2选用平凹透镜，平面面向光源，凹面面向探测器，石英平凹透镜2的通光孔径小于光电二极管5的感光面；
步骤S3.封装外壳1的准备：
封装外壳1的作用在于将石英平凹透镜2固定在光电二极管5，封装外壳1的通光孔大小需与石英平凹透镜2的大小相吻合，通光孔的位置在光电二极管5感光面正中央，并使得石英平凹透镜2与光电二极管5的表面贴合；
步骤S4.短通膜3的制备：
短通膜3使用物理气相沉积的方式镀制到石英平凹透镜2的凹面上，短通膜3采用能在紫外波段透明的HfO2作为高折射率材料，SiO2作为低折射率材料交替镀制在基板即石英平凹透镜2的凹面，控制基板的温度、淀积速度、真空度等制备参数以调节到最优的参数。理论上更厚的多层膜会有更高的性能但是实际镀制时，镀制的膜层越厚偏差越高，短通膜的性能下降，平衡制备工艺与短通膜的性能，镀制5-6个周期为佳；
步骤S5.量子点膜4制备：
在制备量子点薄膜4时，将提纯后的量子点溶于甲苯溶液中，并与溶于甲苯的成膜剂PMMA溶液混合，超声后使用，将该溶液涂覆于短通膜3上，干燥后得到将紫外光转换成可见光的量子点膜4。
本发明的具体实施方式中凡未涉及到的说明属于本领域的公知技术,可参考公知技术加以实施。
上述具体实施方式是对本发明提出的一种基于量子点荧光下转换的紫外探测器及制作方法的技术思想的具体支持,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在本技术方案的基础上所做的任何等同变化或等效改动,均属于本发明技术方案保护范围。
Claims (8)
1.一种基于量子点的紫外探测器，其特征在于，紫外探测器包括封装外壳(1)、石英平凹透镜(2)、短通膜(3)、量子点膜(4)、光电二极管(5)，其中封装外壳(1)置于光电二极管(5)上，石英平凹透镜(2)放置于封装外壳(1)的通光孔中，短通膜(3)均匀沉积在石英平凹透镜(2)的凹面，量子点膜(4)均匀涂覆在短通膜(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子点的紫外探测器，其特征在于，所述短通膜(3)为高折射率材料和低折射率材料交替镀制的多层膜结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子点的紫外探测器，其特征在于，所述高折射率材料采用HfO2，所述低折射率材料采用SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种基于量子点的紫外探测器，其特征在于，所述量子点膜(4)为掺杂量子点与成膜剂PMMA混合制成的薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于量子点的紫外探测器，其特征在于，所述掺杂量子点为ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点。
6.一种如权利要求1所述的基于量子点的紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.光电二极管(5)的准备：光电二极管(5)选用工作在可见光波段的背照式PIN光电二极管；
步骤S2.石英平凹透镜(2)的准备：石英平凹透镜(2)选用平凹透镜，平面面向光源，凹面面向探测器；
步骤S3.封装外壳(1)的准备：封装外壳(1)将石英平凹透镜(2)固定在光电二极管(5)上，封装外壳(1)的通光孔大小需与石英平凹透镜(2)的大小相吻合，通光孔的位置在光电二极管(5)感光面正中央，并使得石英平凹透镜(2)与光电二极管(5)的表面贴合；
步骤S4.短通膜(3)的制备：短通膜(3)采用能在紫外波段透明的HfO2作为高折射率材料、SiO2作为低折射率材料，交替镀制在石英平凹透镜(2)的凹面；
步骤S5.量子点膜(4)的制备：使用ZnCdS:Mn/ZnCdS/ZnS厚壳层量子点与成膜剂PMMA混合超声后的溶液，将该溶液涂覆于短通膜(3)上，干燥后得到将紫外光转换成可见光的量子点膜(4)。
7.根据权利要求6所述的一种基于量子点的紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，短通膜(3)使用物理气相沉积的方式镀制到石英平凹透镜(2)的凹面上。
8.根据权利要求6所述的一种基于量子点的紫外探测器的制作方法，其特征在于，步骤S5中，所述量子点采用交替离子层吸附方法生长而成，其中量子点核部分采用共成核的生长方式。
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