CN108389874B - 一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，涉及光电探测器领域；其包括从下至上设置的硅衬底、IC电路和探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括从下至上设置的用于改变探测范围和提供导电沟道的场效应管单元和用于形成施体‑受体局域电场后分离光生电子空穴的增强吸收单元，所述探测器单元阵列用于在短波波段正向注入和长波波段反向注入实现宽光谱高响应的探测信号电流；本发明解决了现有光电探测器的材料吸光受增强材料限制、材料与石墨烯接触后能级固定只能实现正向注入或者反向注入从而导致探测光谱窄、响应低的问题，达到了实现可见光与近红外波段宽光谱、高响应的探测效果。

Description

一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，尤其是一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器。
背景技术
二维狄拉克材料石墨烯和三维维狄拉克材料砷化镉由于其非凡的电子和光学性质而引起了广泛的关注，其在光电应用如光电探测中具有很大的潜力。石墨烯是一种单原子层状的二维狄拉克半金属材料，碳原子排列在六角蜂窝状晶格中，具有许多电子、光学、力学和热学性质。在石墨烯中传递的电子表现为无质量的Dirac费米子，能量和动量之间呈线性关系，这使得石墨烯在常温下其电荷载流子迁移率达到105cm2/Vs，在低温下达到106cm2/Vs。这种优异的电子性质引起了人们的广泛关注，将石墨烯用于高频和高速电子器件，场效应晶体管和反相器成为可能，然而石墨烯的零带隙和半金属特性阻碍了其在逻辑开关器件的应用；另一方面，这个“缺点”对于光电子应用是有希望的，因为它打破了光子能量小于其带隙的光线对其它半导体的“长波长限制”，而且，单层石墨烯在300到2500纳米很宽范围内光吸收系数可达到7x105cm-1远远高于传统的半导体材料。优异的光学性能如高杨氏模量(高达1TPa的无缺陷石墨烯)和热导率(室温下单层悬浮石墨烯可达5000W/mK)，有机半导体材料在近些年被广泛研究与应用在提高太阳能电池效率的领域里，他们有很多优势，比如造价低廉、使用简单、良好的迁移率、高的光吸收率，但是由于其能带宽度的限制，他们的吸收光谱也被限制在可见光波段。在有机太阳能电池整个领域，其中有机小分子太阳能电池发展迅猛；有机小分子异质结太阳能电池存在给体-受体界面，激子可以在界面进行有效地分离。
目前，这种局域场光调控型器件都是以石墨烯作为导电沟道的的光电导型光电探测器，通过其他材料与石墨烯形成PN结形成的内建电场传导光生载流子，并利用另一种材料直接增强吸收并限制一种光生空穴或者电子，从而增加载流子寿命，提高增益，最终体现在光响应的剧烈增强。现有的光电探测器有如下几种：(1)2012年GerasimosKonstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，在由单层或双层石墨烯组成的混合光电探测器上覆盖有胶体量子点薄膜，从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，他们展示了108个电子的增益/每个光子，具有107A/W的响应度；(2)石墨烯与硅的异质结器件，由硅限制一种载流子提高光响应，可以达到108A/W；(3)还有石墨烯作为沟道，钙钛矿材料、有机聚合物、有机小分子、有机材料与钙钛矿异质结、有机PN结组合都是类似的局域场原理，可以增强光响应。现有器件都存在共同的问题：响应时间慢、响应波段很受局域场增强材料吸光情况限制，大部分都被限制在可见光范围；另一方面许多材料与石墨烯接触后能级固定，导致只能正向注入或者反向注入，从而降低响应。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，解决了现有光电探测器的材料吸光受增强材料限制、材料与石墨烯接触后能级固定只能实现正向注入或者反向注入从而导致探测光谱窄、响应低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，包括从下至上设置的硅衬底、IC电路和探测器单元阵列，所述探测器单元阵列包括从下至上设置的用于改变探测范围和提供导电沟道的场效应管单元和用于形成施体-受体局域电场后分离光生电子空穴的增强吸收单元，所述探测器单元阵列用于在短波波段正向注入和长波波段反向注入实现宽光谱高响应的探测信号电流。
优选地，所述场效应管单元包括从下至上设置的底栅电极、介质层、石墨烯和金属电极。为局域场提供导电沟道和调节探测范围，便于电子迁移和调节波截至波长，从而提高光响应。
优选地，所述金属电极包括金属漏电极和金属源电极，所述金属漏电极和金属源电极分别与石墨烯连接，用于构成探测器导电沟道。为局域场提供导电沟道，便于电子迁移，引起电阻变化，改变光响应。
优选地，所述增强吸收单元包括从下至上设置的富勒烯薄膜和P型有机半导体薄膜，所述富勒烯薄膜能够有效将自由载流子浓度变化通过导电沟道传递给石墨烯；所述P型有机半导体薄膜用于短波波段时束缚光生空穴和长波波段时提供空穴。便于短波波段时实现正向注入和长波波段实现反向注入，从而实现宽光谱、高响应的探测。
优选地，所述底栅电极用于调节富勒烯薄膜与石墨烯势垒高度变化从而调节长波波段的探测范围。
优选地，所述富勒烯薄膜厚度范围为0.5-15nm。适宜的厚度决定富勒烯材料吸收电子能力的强度，在不同波段电子空穴对产生的位置不同，短波波段是产生的电子向石墨烯注入，长波波段在石墨烯中产生电子空穴对，向富勒烯注入，从而引起电阻的变化，实现不同波段的高响应。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的石墨烯作为导电沟道，富勒烯薄膜作为局域场增强材料中与石墨烯接触的绝佳材料与其他P型有机施主半导体材料形成施体-受体电场，高效地分离产生的光生电子空穴对，通过两者良好的晶格匹配，提高了石墨烯的迁移率，实现短波波段和长波波段的宽光谱响应，解决了现有光电探测器的材料吸光受增强材料限制、材料与石墨烯接触后能级固定只能实现正向注入或者反向注入从而导致探测光谱窄、响应低的问题，达到了实现可见光与近红外波段宽光谱、高响应的探测效果；
2.本发明的增强吸收单元包括将自由载流子浓度变化通过导电沟道传递给石墨烯的富勒烯薄膜和用于短波波段时束缚光生空穴和长波波段时提供空穴的P型有机半导体薄膜，根据不同波段的富勒烯薄膜对电子的吸收强度，改变与石墨烯接触后的能级，从而实现不同波段、高响应的探测；
3.本发明采用的探测器阵列单元，提供大面积的探测阵列有利于扩宽探测范围，富勒烯薄膜晶格与石墨烯良好匹配使得石墨烯迁移率大幅度增加，加快器件响应速度，从而提高整个光电探测器的响应速度；
4.本发明采用的探测器阵列单元，提供基于石墨烯的大面积宽光谱探测阵列的制备方法，探测结构简单，成本低。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明器件的整体示意图；
图2是本发明器件的平面示意图；
图3是本发明光响应载流子注入传输示意图；
图4是本发明光响应载流子反向注入传输示意图；
图5是本发明可见光的负响应图示；
图6是本发明近红外光的正响应图示；
标号说明：
1-硅衬底，2-IC电路，3-探测器单元阵列，4-底栅电极，5-介质层，6-石墨烯，7-金属电极，8-富勒烯薄膜，9-P型有机半导体薄膜。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-6对本发明作详细说明。
一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，包括从下至上设置的硅衬底1、IC电路2和探测器单元阵列3，探测器单元阵列3包括从下至上设置的用于改变探测范围和提供导电沟道的场效应管单元和用于形成施体-受体局域电场后分离光生电子空穴的增强吸收单元，探测器单元阵列3用于在短波波段正向注入和长波波段反向注入实现宽光谱高响应的探测信号电流。
场效应管单元包括从下至上设置的底栅电极4、介质层5、石墨烯6和金属电极7。为局域场提供导电沟道和调节探测范围，便于电子迁移和调节波截至波长，从而提高光响应。
金属电极7包括金属漏电极和金属源电极，金属漏电极和金属源电极分别与石墨烯6连接，用于构成探测器导电沟道。为局域场提供导电沟道，便于电子迁移，引起电阻变化，改变光响应。
增强吸收单元包括从下至上设置的富勒烯薄膜8和P型有机半导体薄膜9，富勒烯薄膜8能够有效将自由载流子浓度变化通过导电沟道传递给石墨烯6；P型有机半导体薄膜9用于短波波段时束缚光生空穴和长波波段时提供空穴。便于短波波段时实现正向注入和长波波段实现反向注入，从而实现宽光谱、高响应的探测。
底栅电极4用于调节富勒烯薄膜8与石墨烯6势垒高度变化从而调节长波波段的探测范围。
实施例1
富勒烯薄膜8厚度为1.0nm，材料采用C60，P型有机半导体薄膜9采用并五苯，衬底是带有读出电路的硅片，表面覆盖有氮化硅介质层和探测单元电学接口，此器件的短波波段包括可见光，长波波段包括近红外；在接收短波波段时，C60与并五苯形成增强层吸收光辐射，产生电子空穴对，电子空穴对分离后电子注入石墨烯6，空穴束缚在并五苯，引起导电沟道电阻变化从而提高光响应；在接收长波波段时，石墨烯6为光吸收层，石墨烯6与C60间的能级跃迁引起电子反向注入，电子与并五苯的空穴复合，放大长波波段引起的电阻变化从而提高长波波段的光响应。如图3-4所示为注入过程，其中Ef为费米能级，HOMO为最高占据分子轨道，LUMO为最低未占分子轨道，Graphene为石墨烯，C60为富勒烯，pentecane为并五苯。带来的效果如图5-6所示，短波波段时，光照到器件后，源漏间电流迅速显著降低，去掉光后电流恢复；长波波段时，光照到器件后，源漏间电流迅速显著增大，去掉光后电流恢复。
实施例2
富勒烯薄膜8厚度范围为0.5-15nm。厚度根据实际情况选择，适宜的厚度决定富勒烯材料吸收电子能力的强度，在不同波段电子空穴对产生的位置不同，短波波段是产生的电子向石墨烯6注入，长波波段在石墨烯6中产生电子空穴对，向富勒烯薄膜8注入，从而引起电阻的变化，实现不同波段的高响应。
实施例3
石墨烯6与介质层5之上的金属源电极和金属漏电极相连，在金属源电极和金属漏电极施加工作电压后形成探测器导电沟道；此器件的短波波段包括可见光，长波波段包括近红外，在可见光与近红外的载流子输运机理各不相同：当可见光照射在器件上时，增强层吸收并产生光生电子空穴对，其扩散至两种材料的界面处，在内建电场的作用下，电子空穴对有效分离，电子进入N型受主富勒烯薄膜8，而空穴则被束缚在P型有机半导体薄膜9之中，集聚在富勒烯薄膜8的电子由于石墨烯6与富勒烯薄膜8之间的浓度差从而扩散进入石墨烯6导电沟道，直接影响导电沟道的电阻，产生电信号，大幅度增加光生载流子的寿命，从而提高增益，直接提高光响应；而近红外光照射在器件上时，石墨烯6将作为主要吸光层，它产生的光生电子将在石墨烯6与富勒烯薄膜8的内建电场的作用下进入富勒烯薄膜8，最终在富勒烯薄膜8与P型有机半导体薄膜9界面处与P型有机半导体薄膜9一侧的空穴复合，将近红外响应信号放大，从而提高了光响应。
实施例4
利用底栅电极4、介质层5、石墨烯6、金属电极7形成场效应管结构，通过调节栅极电压从而改变石墨烯6的费米能级，探测其截止波段，改变探测范围。
实施例5
基于石墨烯的大面积宽光谱探测阵列的制备方法步骤如下：
(a)在硅衬底1进行IC电路2的代工加工和电路上介质层制作，在表面留有IC电路2与探测单元的电学接口；
(b)进行底栅电极4和介质层5的图形制作；
(c)清洗覆盖有介质层5的底栅电极4，依次使用去污剂、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；
(d)将石墨烯6转移到清洗好的带有介质层5的衬底片上；
(e)将d步骤的样片进行光刻、镀膜、剥离、清洗，实现源、漏电极的制作；
(f)将已转移石墨烯6的样片表面进行光刻露出与富勒烯薄膜8接触区域；
(g)将已经光刻好的样片依次蒸镀富勒烯薄膜8、P型有机半导体薄膜9；
(h)最后剥离清洗掉多余的光刻胶，完成器件制备。
提供基于石墨烯的大面积宽光谱探测阵列的制备方法，制备简单，且探测结构简单，成本低。
工作原理：富勒烯薄膜8吸收电子能力很强，在不同波段的时候，电子空穴对产生的位置不同，富勒烯薄膜8与P型有机8半导体薄膜8材料形成施体-受体电场，实现有效分离电子空穴对，短波波段是产生的电子向石墨烯8注入，长波波段在石墨烯8中产生电子空穴对，向富勒烯薄膜8注入；与石墨烯6接触后能级改变，可以实现正向注入和反向注入，实现近红外波段的高响应；解决了现有光电探测器的材料吸光受增强材料限制、材料与石墨烯接触后能级固定只能实现正向注入或者反向注入从而导致探测光谱窄、响应低的问题，达到了实现可见光与近红外波段宽光谱、高响应的探测效果。

Claims (6)

1.一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，包括从下至上设置的硅衬底(1)、IC电路(2)和探测器单元阵列(3)，其特征在于：所述探测器单元阵列(3)包括从下至上设置的用于改变探测范围和提供导电沟道的场效应管单元和用于形成施体-受体局域电场后分离光生电子空穴的增强吸收单元，所述探测器单元阵列(3)用于在短波波段正向注入和长波波段反向注入实现宽光谱高响应的探测信号电流。
2.根据权利要求1所述的一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，其特征在于：所述场效应管单元包括从下至上设置的底栅电极(4)、介质层(5)、石墨烯(6)和金属电极(7)。
3.根据权利要求2所述的一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，其特征在于：所述金属电极(7)包括金属漏电极和金属源电极，所述金属漏电极和金属源电极分别与石墨烯(6)连接，用于构成探测器导电沟道。
4.根据权利要求3所述的一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，其特征在于：所述增强吸收单元包括从下至上设置的富勒烯薄膜(8)和P型有机半导体薄膜(9)，所述富勒烯薄膜(8)能够有效将自由载流子浓度变化通过导电沟道传递给石墨烯(6)；所述P型有机半导体薄膜(9)用于短波波段时束缚光生空穴和长波波段时提供空穴。
5.根据权利要求4所述的一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，其特征在于：所述底栅电极(4)用于调节富勒烯薄膜(8)与石墨烯(6)势垒高度变化从而调节长波波段的探测范围。
6.根据权利要求4所述的一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器，其特征在于：所述富勒烯薄膜(8)厚度范围为0.5-15nm。
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