[发明专利]一种光电二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件中光电二极管器件，具体涉及一种高性能、低成本光电二极管及其制备方法。

背景技术

光电二极管是光电子器件中一类非常重要的器件，可以广泛应用于光电探测、光电检测和光电转换等相关领域。其工作原理主要是在光照条件下会表现出二极管特性。

目前，光电二极管主要采用硅材料来制备，由于硅原料在微电子领域的大量使用，造成硅原料大量消耗、成本的上升和能量的消耗，特别是单晶硅近几年来价格急剧上涨，从长远发展来看，基于硅的光电二极管将会难于大量推广和产业化。近几年来，人们寻求其它无机化合物半导体来替代硅，如GaN、GaAs等，但是制备这些单晶或者多晶无机化合物条件苛刻，如需要贵重制备设备、高温等条件，所以制备基于上述无机化合物的光电二极管成本仍然很高，而且难度较大。

近年来，国内外很多研究小组报道了有机/无机混合光电二极管(参见J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)165308，Nanotechnology 19(2008)495202，Adv.Funct.Mater.18，(2008)，687-693)，这类光电二极管具有低成本、易于制备和阈值电压低等优点。无机化合物一般采用低成本容易制得的n型半导体材料，如：InP，CdS和ZnO等，有机材料一般采用空穴迁移率高、在可见光区吸收较强的有机p型半导体材料，如CuPc，P3HT等。2008年加利福尼亚大学圣地哥分校Yu等人报道了基于InP纳米线和聚3-乙基噻吩(P3HT)混合的光电二极管(参见2008年Nano Letters第8卷第775-779页)，这种光电二极管具有低成本、光照下较高的整流率和很大光电流等特点。较高的整流率和很大光电流的取得是由于这种InP纳米线是呈一定角度生长于ITO基底(不是完全竖直)，这种结构能很大地增加InP与P3HT的接触面积，并且极大地提高了电子输运能力。

由于本征ZnO材料为n型半导体，禁带宽度在3.37eV左右，属于宽禁带半导体，对可见光具有很高的透过率，并且具有良好的电学特性。在氢等离子体环境中具有很高的化学稳定性等，而且制备ZnO原料丰富、成本低、无毒等。近年来，ZnO广泛被研究和应用于各类光电子器件中。2003年加利福尼亚大学伯克利分校的杨培东教授研究小组提出了一种非常简单的方法，在较低温度下可大面积制备ZnO竖直排列的纳米线阵列(参见2003年Angewandte ChemieInternational Edition第42卷第3031～3034页)，明显地，在ZnO竖直排列纳米线阵列/有机混合的光电二极管中，这种ZnO竖直排列的纳米线阵列比上述InP纳米线(非竖直生长在ITO上)更加有利于电子输运，大部分可见光很容易穿过ZnO竖直排列纳米线层到达有机光活化层。ZnO竖直排列纳米线这种的特殊阵列结构，与有机p型半导体的接触面积非常大。因此基于ZnO竖直排列的纳米线和有机混合的光电二极管在成本上明显低于同类其它光电二极管，性能上有望大大超过同类其它光电二极管，并且这种光电二极管可大规模产业化生产。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种光电二极管及其制备方法，该器件采用ZnO竖直排列纳米线阵列与有机p型半导体混合，不仅极大地提高电子输运能力，而且有效地增加了ZnO竖直排列纳米线与有机光活化层接触面积，进一步提高了器件性能。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种光电二极管，包括导电基板或者衬底，阴极层、阳极层、N型ZnO形成层和有机光活化层，其特征在于，所述N型ZnO形成层包括ZnO种子层和ZnO竖直排列纳米线阵列，所述阴极层设置在导电基板或衬底表面，所述ZnO种子层设置在阴极层表面，ZnO竖直排列纳米线阵列层位于ZnO种子层上，有机光活化层位于ZnO纳米线阵列层和阳极层之间，有机光活化层为P型有机光活化层，包括有机小分子p型半导体材料或高分子聚合物p型半导体材料。

按照本发明所提供的光电二极管，其特征在于，所述有机小分子p型半导体材料包括酞菁类、并苯类或噻吩类芴类材料，其中酞菁类有机小分子P型半导体材料包括酞菁铜(CuPc)、酞菁锌(ZnPc)、酞菁铁(FePc)、亚酞氰配合物等，并苯类有机小分子P型半导体材料包括并四苯、并五苯及其衍生物等，噻吩类材料包括直线型和树枝状的噻吩化合物，芴类材料包括直线型和和树枝状的芴类小分子。