CN106601837B - 一种超宽光谱光敏材料和应用该光敏材料的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽光谱光敏材料，包括Eu‑Sb‑Te三元碲化物晶体或者Eu‑Bi‑Te三元碲化物晶体。本发明还公开了一种应用该超宽光谱光敏材料的光电探测器，包括有可光电转换的感光单元，感光单元的两端均设有金属电极，感光单元的制备材料包括有前述的超宽光谱光敏材料。对于本发明，所述超宽光谱光敏材料可以在从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围实现光电转换，且适用温度范围广；所述的光电探测器不仅可以覆盖从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围的光探测，而且工作温度区间为77K～400K，此外，该光电探测器结构简单，有利于结合晶体生长技术、薄膜制备等技术进行大规模集成，制作方便，在有效提高探测器性能的前提下，其制备成本得以显著降低。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种超宽光谱光敏材料和应用该光敏材料的光电探测器。
背景技术
目前，光电探测器作为各种光电系统中的核心设备，已在通讯、遥感、安防、光谱分析、生物医药、空间探索等领域得以广泛应用。然而，传统的光电探测器在室温太赫兹(0.1～10THz)探测技术、超宽光谱直至太赫兹的多通道光电探测技术这两个方面的使用仍然存在着巨大困难，究其原因，主要是缺乏在室温下对超宽光谱包括太赫兹光等敏感的的光敏材料。
比如，太赫兹光子的能量较小，处在毫电子伏特(meV)量级，而传统半导体如硅、锗等的能隙通常远远大于这一能量量级，以致无法受到太赫兹光子的激发从而形成光电响应。
又比如，受制于感光单元的特征能带结构及物化性能，传统的光电探测器只能探测某一较窄波段范围内的光，如市面上流行的GaN、Si、InGaAs及HgCdTe探测器只能分别单独用于紫外、可见、近红外及中红外波段的光探测，而高效、便携、低成本的多通道探测器及技术仍然十分缺乏。
再比如，受制于能隙、噪声等物理因素，目前的非制冷型半导体光电探测器只适用于紫外光、可见光以及近红外波段的探测，对于中、远红外和太赫兹波段的半导体光电探测器来说，室温下巨大的热激发会覆盖掉光激发信号，使得探测器无法正常工作。因此，为了抑制噪声以提高光响应灵敏度，工作在中红外、远红外或太赫兹波段的探测器通常需要低温制冷条件，如中波红外(4～5μm)探测器需要工作在干冰温度(195K，其中K为开尔文温标的单位)条件下，长波中红外探测器需要制冷至液氮温度(77K，其中K为开尔文温标的单位)，而远红外和太赫兹探测器则通常需要极低温条件(如液氦温度4.2K，其中K为开尔文温标的单位)。这些苛刻的制冷条件大大增加了设备成本，使得系统变得复杂甚至庞大，在使用过程中造成诸多不便。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明一方面提供了一种超宽光谱光敏材料，其可以在从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围内实现光电转换，并且适用温度范围广。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种超宽光谱光敏材料，其特征在于：所述光敏材料包括有Eu-Sb-Te三元碲化物晶体或者Eu-Bi-Te三元碲化物晶体。
进一步的，所述Eu-Sb-Te三元碲化物晶体的组分为EuSbx1Tey1，x1的取值范围为0.7～1，y1的取值范围为2.9～3.3。
进一步的，x1的取值范围为0.75～0.85，y1的取值范围为3.1～3.25。
进一步的，所述Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的组分为EuBix2Tey2，x2的取值范围为0.7～1，y2的取值范围为2.9～3.3。
进一步的，x2的取值范围为0.75～0.85，y2的取值范围为3.1～3.25。
进一步的，所述Eu-Sb-Te三元碲化物晶体、所述Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的晶系结构均属于正交晶系，空间群均为Pmmn。
本发明另一方面提供了一种光电探测器，其工作范围可以覆盖从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段，且工作温度区间极广，设备结构简单，从而有效地解决了传统的光电探测器存在的难题。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种光电探测器，其特征在于：
包括有可光电转换的感光单元，所述感光单元的两端均设有金属电极，所述感光单元的制备材料包括前文所述的超宽光谱光敏材料。
进一步的，所述金属电极的材料为金、银、铂、铟、镉、锡的一种或几种组合；所述金属电极通过镀膜工艺蒸镀或溅射工艺设置于所述感光单元上。
进一步的，还包括有绝缘衬底，所述绝缘衬底的厚度≤5mm，所述感光单元设于所述绝缘衬底上；所述绝缘衬底的材质包括有硅、石英、蓝宝石或者碳化硅。
进一步的，所述光电探测器包括有单一所述感光单元；或者，所述光电探测器包括有由多个所述感光单元组成的焦平面阵列。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
(1)本发明提供的一种超宽光谱光敏材料，包括有Eu-Sb-Te三元碲化物晶体或者Eu-Bi-Te三元碲化物晶体，经试验证明，其可以实现从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围的光电转换。而且，通过多次试验验证可知，本发明所述的超宽光谱光敏材料既可以直接在室温环境下进行感光，也可以在77K～400K温度区间的其它温度下进行感光(即在高、低温条件下均可适用)，适用温度区间极其广泛，从而有效地弥补了当今市场上的光敏材料所存在的缺陷，对传统的光电转换材料技术是一种巨大的突破。
(2)本发明提供的一种光电探测器，其感光单元的制备材料应用了前文所述的超宽光谱光敏材料，因此，本发明所述的光电探测器可以覆盖从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围的光探测，即光谱探测范围极其广泛，从而有效地突破传统的光电探测器在室温太赫兹(0.1～10THz)探测技术、超宽光谱直至太赫兹的多通道光电探测技术所遇到的技术瓶颈。
(3)本发明提供的一种光电探测器，以单一化合物作为感光单元，设备结构简单，并且有利于结合晶体生长技术、薄膜制备等技术进行大规模集成，制作方便，在有效提高探测器性能的前提下，其制备成本得以显著降低。而且，本发明所述的光电探测器在结构简单、制作成本低的基础上，还可以直接工作于室温环境，也可以工作于77K～400K温度区间的其它温度，工作温度区间极其广泛、灵活，非常有利于简化光电探测系统，方便光电探测的各种操作，从而很好地解决了传统的光电探测器存在的技术难题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明所述的一种光电探测器的俯视图；
图2是本发明所述的一种光电探测器的主视图；
图3是实施例1所述的光电探测器在无光照条件下的特征电流-电压(I-V)曲线；
图4是实施例1所述的光电探测器的光响应度、外量子效率随波长变化的关系曲线；
图5是实施例2所述的光电探测器在无光照条件下的特征电流-电压(I-V)曲线；
图6是实施例2所述的光电探测器的光响应度和外量子效率随波长变化的关系曲线。
标记说明：1、感光单元；2、金属电极；3、绝缘衬底。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明公开了一种超宽光谱光敏材料，该光敏材料包括有Eu-Sb-Te三元碲化物晶体或者Eu-Bi-Te三元碲化物晶体，其可以在从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段范围内实现光电转换，有效地弥补了传统的光电材料技术领域所存在的缺陷。
其中，Eu-Sb-Te三元碲化物晶体的组分为EuSbx1Tey1，x1的取值范围为0.7～1，y1的取值范围为2.9～3.3。更具体的，x1的优选取值范围为0.75～0.85，y1的优选取值范围为3.1～3.25。
其中，Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的组分为EuBix2Tey2，x2的取值范围为0.7～1，y2的取值范围为2.9～3.3。更具体的，x2的优选取值范围为0.75～0.85，y2的优选取值范围为3.1～3.25。
其中，Eu-Sb-Te三元碲化物晶体、Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的晶系结构均属于正交晶系；空间群表示晶体结构内部的原子及离子间的对称关系，在本发明中，Eu-Sb-Te三元碲化物晶体、Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的空间群均为Pmmn。
本发明还公开了一种光电探测器，参照图1～2，包括有感光单元1，其外形可以根据实际使用需求设计为任意形状，作用是负责吸收入射光并将该入射的光功率转换为电信号。感光单元1的制备材料包括有如前文所述的超宽光谱光敏材料，从而使得该光电探测器的工作波段可以覆盖从紫外、可见、红外直至太赫兹的超宽波段，有效地解决了当今的传统光电探测器所存在的技术瓶颈。感光单元1的两端均设有金属电极2，以作为引出线，因此，金属电极2的数量至少为2个。
其中，金属电极2的材料为金、银、铂、铟、镉、锡的一种或几种组合；金属电极2通过镀膜工艺蒸镀或溅射工艺设置于感光单元1上，以使得金属电极2与感光单元1之间的接触电阻尽可能小。
该光电探测器还包括有绝缘衬底3，绝缘衬底3的厚度≤5mm，感光单元1设于绝缘衬底3上。绝缘衬底3的材质包括有硅、石英、蓝宝石或者碳化硅等，当然，绝缘衬底3的材质并不限于此。基于前述的结构的设计，绝缘衬底3不仅可以为感光单元1提供足够的支撑作用，而且还具有充分的散热作用。
根据光电探测负荷的不同需求，该光电探测器可以仅包括有单一感光单元1，或者，该光电探测器也可以包括有由多个感光单元1组成的焦平面阵列。
此外，对于单个感光单元1，其通常的形貌尺寸为：长度为0.1mm～10mm，宽度为10μm～250μm，最大厚度≤100μm，即单个感光单元1的光敏面积为(0.1～10.0)mm×(0.01～0.25)mm。基于如此的尺寸设计，可以有效地保证感光单元1具有较高的光吸收率。
通过一系列的试验验证可知，本发明公开的一种超宽光谱光敏材料既可以直接在室温环境下进行感光反应，也可以在77K～400K温度区间的其它温度下进行感光反应，即其在范围极其广泛的高、低温条件下均可适用。
将上述的超宽光谱光敏材料应用于光电探测器的感光单元1中，可以使得该光电探测器的工作温度区间为77K～400K，换言之，该光电探测器既可以直接工作于室温环境下，也可以工作于77K～400K温度区间的其它温度，工作温度区间极其广泛、灵活，从而使得该光电探测器能够适用多种不同的外界环境。
对于本发明所述的超宽光谱光敏材料、以及应用该光敏材料的光电探测器，它们的其它结构形式参见现有技术。
实施例1
本实施例公开了一种光电探测器，如图1～2所示，其包括有单一感光单元1，感光单元1的形状为长方体，设于感光单元1之下的绝缘衬底3为蓝宝石片，厚度为1mm。
在本实施例中，感光单元1的光敏面积具体为0.9mm×0.18mm。
在本实施例中，感光单元1的制备材料具体为EuSb0.8Te3.2三元碲化物晶体。
在本实施例中，金属电极2具体为金电极，数量为2个，二者通过镀膜工艺分别蒸镀于感光单元1的两端。
发明人对本实施例所述的光电探测器进行试验测试，结果如下：
(1)本实施例所述的光电探测器在无光照条件下测得的特征电流-电压(I-V)曲线如图3所示；
(2)本实施例所述的光电探测器的光响应度(Responsivity)和外量子效率(EQE)随波长变化的关系曲线如图4所示。
实施例2
本实施例公开了另一种光电探测器，如图1～2，同样的，其仅包括有单一感光单元1，感光单元1的形状为长方体，设于感光单元1之下的绝缘衬底3为蓝宝石片，厚度为1mm。
在本实施例中，感光单元1的光敏面积具体为0.85mm×0.22mm。
在本实施例中，感光单元1的制备材料具体为EuBi0.75Te3.2三元碲化物晶体。
在本实施例中，金属电极2具体为金电极，数量为2个，二者通过镀膜工艺分别蒸镀于感光单元1的两端。
发明人对本实施例所述的光电探测器进行试验测试，结果如下：
(1)本实施例所述的光电探测器在无光照条件下测得的特征电流-电压(I-V)曲线如图5所示；
(2)本实施例所述的光电探测器的光响应度(Responsivity)和外量子效率(EQE)随波长变化的关系曲线如图6所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种超宽光谱光敏材料，其特征在于：所述光敏材料包括有Eu-Sb-Te三元碲化物晶体或者Eu-Bi-Te三元碲化物晶体；所述Eu-Sb-Te三元碲化物晶体的组分为EuSbx1Tey1，x1的取值范围为0.7～1，y1的取值范围为2.9～3.3；所述Eu-Sb-Te三元碲化物晶体、所述Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的晶系结构均属于正交晶系，空间群均为Pmmn；所述Eu-Bi-Te三元碲化物晶体的组分为EuBix2Tey2，x2的取值范围为0.7～1，y2的取值范围为2.9～3.3。
2.根据权利要求1所述的超宽光谱光敏材料，其特征在于：x1的取值范围为0.75～0.85，y1的取值范围为3.1～3.25。
3.根据权利要求1所述的超宽光谱光敏材料，其特征在于：x2的取值范围为0.75～0.85，y2的取值范围为3.1～3.25。
4.一种光电探测器，其特征在于：
包括有可光电转换的感光单元，所述感光单元的两端均设有金属电极，所述感光单元的制备材料包括权利要求1～3中任一项所述的超宽光谱光敏材料。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于：所述金属电极的材料为金、银、铂、铟、镉、锡的一种或几种组合；所述金属电极通过镀膜工艺蒸镀或溅射工艺设置于所述感光单元上。
6.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于：还包括有绝缘衬底，所述绝缘衬底的厚度≤5mm，所述感光单元设于所述绝缘衬底上；所述绝缘衬底的材质包括有硅、石英、蓝宝石或者碳化硅。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器包括有单一所述感光单元；或者，所述光电探测器包括有由多个所述感光单元组成的焦平面阵列。
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