CN113066931B - spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n型日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n型日盲紫外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种spiro‑MeOTAD/Ga2O3/Si p‑i‑n光电二极管型日盲紫外探测器，依次包括第一电极，空穴传输层，光吸收层，电子传输层以及第二电极，其中，所述空穴传输层能够透过日盲紫外光，采用p型spiro‑MeOTAD有机物薄膜；所述光吸收层用于吸收日盲紫外光，采用Ga2O3薄膜；所述电子传输层为n型Si衬底；所述第一电极与所述空穴传输层欧姆接触；所述第二电极与所述电子传输层欧姆接触。本发明还公开了spiro‑MeOTAD/Ga2O3/Si p‑i‑n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法。该p‑i‑n结构日盲紫外探测器的制备工艺简单，器件性能优异，可探测日盲紫外光信号，并能实现无外置能源驱动下的自供电模式，适用于探测性能好，灵敏度高的日盲紫外光探测系统。

Description

spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n型日盲紫外探测器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种日盲紫外探测器及其制备方法，尤其涉及一种基于spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器及其制备方法，属于半导体光电子器件领域。
背景技术
太阳辐射光谱的99％以上的波长在150nm到4000nm之间。在这个波段中，大约7％的波长位于紫外光谱区。
平流层是位于对流层和中间层之间的大气，厚度约为32公里(海平面以上18公里至50公里)，该层占据了大气中90％的臭氧；此外，它还是吸收太阳真空和深紫外线光子的主要区域。因此接近地表时，太阳紫外线被臭氧层吸收后，光波长小于280nm的部分非常少，可以忽略不计；因此，日盲紫外光是指具有200nm–280nm波长范围的紫外光。这也赋予了日盲紫外检测技术一些固有的优势，如低背景噪声、高灵敏度和强抗干扰能力；这表明日盲紫外探测技术在新一代短距离通信中具有应用潜力。除通信外，日盲紫外检测技术在电网安全监测、医学成像、生命科学、环境和生化检测等民生领域也有广阔的应用前景。
为了寻找合适的材料来制备日盲紫外探测器，人们做了许多尝试，实验表明，Ga2O3是制作日盲紫外探测器的首选材料之一。Ga2O3是一种宽禁带半导体材料，带隙在4.2eV-5.3eV范围内，具有优良的化学稳定性和热稳定性。另外，Ga2O3的超宽禁带使其吸收截止边刚好落在280nm左右，可以更好地探测到日盲紫外光。但现有的光电导模式的Ga2O3探测器，存在灵敏度低、响应速度慢等缺点，且需要在外部电源支持下才能工作。
发明内容
针对现有Ga2O3探测器性能技术的不足，本发明提供一种spiro- MeOTAD/Ga2O3/Sip-i-n光电二极管型日盲紫外探测器以及制备方法。
本发明第一方面提出一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，所述日盲紫外探测器依次包括第一电极，空穴传输层，光吸收层，电子传输层以及第二电极，其中，
所述空穴传输层能够透过日盲紫外光，采用p型spiro-MeOTAD 有机物薄膜；
所述光吸收层用于吸收日盲紫外光，采用Ga2O3薄膜；
所述电子传输层为n型Si衬底；
所述第一电极与所述空穴传输层欧姆接触；
所述第二电极与所述电子传输层欧姆接触。
根据本发明的一种优选实施方式，所述Ga2O3薄膜厚度为 100nm～1000nm。
根据本发明的一种优选实施方式，所述p型spiro-MeOTAD薄膜厚度为20nm～800nm。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一电极的材料采用金、银、铜和铝中的一种或多种组合。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第二电极的材料采用金、银、铜、铝、铂、钛、镓和铟中的一种或多种组合。
本发明的第二方面提出一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)使用薄膜制备方法在n型Si衬底上生长Ga2O3薄膜，厚度为50nm～2000nm；
(2)制备不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液；
(3)将不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液滴在Ga2O3薄膜上进行旋涂，转速为800转/秒～4000转/秒，时间为10秒～60秒，形成20nm至800nm不同厚度的p型spiro-MeOTAD有机物薄膜；
(4)将旋涂好的样品在干燥柜中放置2小时～24小时；
(5)制备与p型spiro-MeOTAD有机物薄膜欧姆接触的第一电极；
(6)制备与n型Si衬底欧姆接触的第二电极。
根据本发明的一种优选实施方式，所述薄膜制备方法包括激光脉冲沉积法(PLD)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延技术(MBE)、磁控溅射法(RF)或溶胶凝胶法(Sol-gel)中的一种或多种方法。
根据本发明的一种优选实施方式，制备的spiro-MeOTAD溶液的溶液浓度为9mg/ml～144mg/ml，其中，溶质为spiro-MeOTAD，溶剂为氯苯。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合；
所述第二电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合。
本发明的有益效果在于，提供了一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p- i-n光电二极管型日盲紫外探测器，器件的空穴传输层为p型spiro- MeOTAD有机物薄膜，日盲紫外光吸收层为Ga2O3薄膜，器件的电子传输层材料为n型Si衬底，形成pin结构，其在spiro-MeOTAD与Ga2O3界面、Ga2O3与Si界面处均有内建电场存在，形成双内建电场，可以有效分离和传输光生载流子，从而有效提高了spiro- MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的响应度和响应速度，并可实现器件的自供电运行。此外，本发明使用的有机物溶液法制备及薄膜旋涂法，操作简单，无毒，成本可控，适用于学术研究和规模生产。
附图说明
图1是利用本发明方法制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法的流程示意图；
图3是厚度为150nm的spiro-MeOTAD薄膜的透过率；
图4是spiro-MeOTAD厚度为150nm,spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的暗电流与254nm紫外光照下的光电流IV曲线，其中光照强度为1000μW/cm2；
图5对应于图4，是spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的暗电流与光电流在对数坐标下的IV曲线，光照强度为1000μW/cm2；
图6是spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器在0V偏压下的时间-电流曲线，spiro-MeOTAD薄膜厚度为 150nm，测试条件为：外置偏压0V，光强分别为160/300/620/1000/1500μW/cm2的254nm紫外光辐照；
图7是spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的时间-电流曲线，spiro-MeOTAD薄膜厚度为150nm，测试条件为：外置偏压0V，光强为1000μW/cm2的254nm紫外光辐照。
图8是厚度为400nm的spiro-MeOTAD薄膜的透过率；
图9是spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的时间-电流曲线，spiro-MeOTAD薄膜厚度为400nm，测试条件为：外置偏压0V，光强为1000μW/cm2的254nm紫外光辐照；
图10是Ga2O3/Si型日盲紫外探测器的时间-电流曲线，测试条件为：外置偏压0V，光强为1000μW/cm2的254nm紫外光辐照。
具体实施方式
现在将参考附图来更加全面地描述本发明的示例性实施例，虽然各示例性实施例能够以多种具体的方式实施，但不应理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本发明的内容更加完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。
在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的结构、性能、效果或者其他特征可以以任何合适的方式结合到一个或更多其他的实施例中。
图1是利用本发明方法制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的结构示意图，如图1所示。
日盲紫外探测器依次包括第一电极04，空穴传输层03，光吸收层02，电子传输层01以及第二电极05，其中，
空穴传输层03能够透过日盲紫外光，采用p型spiro-MeOTAD 有机物薄膜；
光吸收层02用于吸收日盲紫外光，采用Ga2O3薄膜；
电子传输层01为n型Si衬底；
第一电极04与空穴传输层03欧姆接触；
第二电极05与电子传输层01欧姆接触。
在上述技术方案的基础上，进一步地，Ga2O3薄膜厚度为 100nm～1000nm。
在本实施方式中，优选地，作为光吸收层02材料的Ga2O3薄膜厚度为200nm～500nm。
在上述技术方案的基础上，进一步地，p型spiro-MeOTAD薄膜厚度为20nm～800nm。
在本实施方式中，优选地，作为空穴传输层03的spiro-MeOTAD 薄膜厚度为100nm～200nm。
在上述技术方案的基础上，进一步地，第一电极的材料采用金、银、铜和铝中的一种或多种组合。
在本实施方式中，第一电极的厚度为10nm～200nm。
在本实施方式中，优选地，第一电极为金。
在本实施方式中，优选地，第一电极为银。
在本实施方式中，优选地，第一电极为铝。
在上述技术方案的基础上，进一步地，第二电极的材料采用金、银、铜、铝、铂、钛、镓和铟中的一种或多种组合。
在本实施方式中，第二电极的厚度为10nm～200nm。
在本实施方式中，优选地，第二电极为铟。
在本实施方式中，优选地，第二电极为钛金组合。
在本实施方式中，优选地，第二电极为铟镓合金。
图2是本发明一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法的流程示意图，如图2所示。
制备方法依次包括以下步骤：
S1、使用薄膜制备方法在n型Si衬底上生长Ga2O3薄膜，厚度为 50nm～2000nm；
S2、制备不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液；
S3、将不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液滴在Ga2O3薄膜上进行旋涂，转速为800转/秒～4000转/秒，时间为10秒～60秒，形成 20nm至800nm不同厚度的p型spiro-MeOTAD有机物薄膜；
S4、将旋涂好的样品在干燥柜中放置2小时～24小时；
S5、制备与p型spiro-MeOTAD有机物薄膜欧姆接触的第一电极；
S6、制备与n型Si衬底欧姆接触的第二电极。
在上述技术方案的基础上，进一步地，薄膜制备方法包括激光脉冲沉积法(PLD)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延技术(MBE)、磁控溅射法(RF)或溶胶凝胶法(Sol-gel)中的一种或多种方法。
在本实施方式中，优选地，Ga2O3薄膜，为在n型Si衬底上利用激光脉冲沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)法、分子束外延技术(MBE)、磁控溅射法(RF)薄膜制备方法生长Ga2O3薄膜。
在上述技术方案的基础上，进一步地，制备的spiro-MeOTAD溶液的溶液浓度为9mg/ml～144mg/ml，其中，溶质为spiro-MeOTAD，溶剂为氯苯。
在本实施方式中，优选地，spiro-MeOTAD的氯苯溶液浓度为 36～72mg/ml。
在本实施方式中，将不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液滴在 Ga2O3薄膜上进行旋涂，优选地，转速为4000转/秒，时长30秒。
在本实施方式中，将旋涂好的样品在干燥箱中干燥，最优放置时间为12-24小时。
在上述技术方案的基础上，进一步地，第一电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合；
第二电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合。
在本实施方式，优选地，第一电极和第二电极的制备方法均为热蒸镀法。
以下结合具体实施例1、对比实施例1和对比实施例2进一步说明本发明。
实施例1
通过MOCVD法，在宽度和长度为1cm的n型Si衬底01上生长 Ga2O3薄膜02，薄膜厚度为300nm。
配制spiro-MeOTAD的氯苯溶液，溶液浓度为72mg/ml，溶液需要在磁力搅拌平台搅拌溶解30分钟。
将40μl的spiro-MeOTAD的氯苯溶液滴在Ga2O3薄膜样品上旋涂，转速为4000转/秒，时间30秒，获得p型spiro-MeOTAD薄膜 03，薄膜厚度为150nm。
在spiro-MeOTAD薄膜03上利用掩膜版制备点状金电极作为第一电极04形成欧姆接触，在Si衬底01上利用掩膜版制备点状钛/金电极作为第二电极05形成欧姆接触。所制备的spiro- MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器结构示意图如图1所示。
为了确定150nm厚度的spiro-MeOTAD层03的透过率，通过 UV-Vis测试仪测试spiro-MeOTAD薄膜透过率，如图3所示，可以看到：在254nm处的透过率为75.41％，具有较好的透过率。可以作为spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的透光层。
所制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的电流电压特性曲线如图4和图5所示。可以看出具有良好的整流特性。
所制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器在0V偏压下不同光强的工作曲线如图6所示，即在无外加电压的情况下，所制备的探测器也可以对不同光强的光产生响应，且工作稳定，说明制备的探测器可以自供电工作。
所制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器在0V偏压下，光强为1000μW/cm2的254nm紫外光辐照下得到的电流随着时间的工作曲线如图7所示，其光电流为26nA。
为了呈现出本发明的有益效果，特进行如下对比实施例
对比实施例1
通过MOCVD法，在宽度和长度为1cm的n型Si衬底01上生长 Ga2O3薄膜02，薄膜厚度为300nm。
配制spiro-MeOTAD的氯苯溶液，溶液浓度为144mg/ml，溶液需要在磁力搅拌平台搅拌溶解30分钟。
将40μl的spiro-MeOTAD的氯苯溶液滴在Ga2O3薄膜样品上旋涂，转速为4000转/秒，时间30秒，获得p型spiro-MeOTAD薄膜 03，薄膜厚度为400nm。
在spiro-MeOTAD薄膜03上利用掩膜版制备点状金电极作为第一电极04形成欧姆接触，在Si衬底01上利用掩膜版制备点状钛/金电极05形成欧姆接触。所制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器结构示意图如图1所示。
为了确定400nm厚度的spiro-MeOTAD薄膜03的透过率，通过UV-Vis测试仪测试其透过率如图8所示，可以得出：在254nm处的透过率为18.53％，由于厚度增加，透过率降低。
所制备的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器在0V偏压下，光强为1000μW/cm2的254nm紫外光辐照下得到的电流随着时间的工作曲线如图9所示，可得光电流为19nA。
相较于实施例1中的探测器，由于spiro-MeOTAD层厚度增加，透过率变小，因此只有较少的光子被Ga2O3层所吸收，因此产生的光生载流子减少，光电流减小。从而对比出本发明制备的spiro- MeOTAD层更薄的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器性能更优，更具有应用前景。
对比实施例2
通过MOCVD法，在宽度和长度为1cm的n型Si衬底01上生长 Ga2O3薄膜02，薄膜厚度为300nm。
在Ga2O3薄膜02上利用掩膜版制备点状钛/金电极作为欧姆电极，在Si衬底01上利用掩膜版制备点状钛/金电极形成欧姆接触。得到Ga2O3/Si日盲紫外探测器。
所制备的Ga2O3/Si日盲紫外探测器在0V偏压下，光强为 1000μW/cm2的254nm紫外光辐照下得到的电流随着时间的工作曲线如图10所示，得到光电流为1.2nA。
相较于实施例1中的探测器，由于缺少p型spiro-MeOTAD层，光生载流子的分离效果减弱，因此光电流减小。从而对比出本发明制备的厚度适宜的spiro-MeOTAD空穴传输层的spiro- MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器性能更优，更具有应用前景。
本发明提供一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，通过在n型Si衬底上生长Ga2O3薄膜，然后在其上面旋涂一层spiro-MeOTAD有机物薄膜，利用spiro-MeOTAD在日盲波段较好的透过性，Ga2O3薄膜对日盲紫外波段的有效吸收，通过合理的p-i-n结构设计，提升了器件对日盲紫外波段光子的有效吸收及光生载流子的有效分离，实现了优异的日盲紫外光信号的探测响应能力，并满足器件在无外置电源下的自供电工作。
显而易见，本领域技术人员可以在不背离本发明的精神或范围的基础上对本发明进行各种改进和改变。因此，本发明覆盖本发明的这些改进和改变，只要它们落入附加的权利要求书的范围及其等价范围内。

Claims (9)

1.一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，其特征在于，所述日盲紫外探测器依次包括第一电极，空穴传输层，光吸收层，电子传输层以及第二电极，其中，
所述空穴传输层能够透过日盲紫外光，采用p型spiro-MeOTAD有机物薄膜；
所述光吸收层用于吸收日盲紫外光，采用Ga2O3薄膜；
所述电子传输层为n型Si衬底；
所述第一电极与所述空穴传输层欧姆接触；
所述第二电极与所述电子传输层欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，其特征在于，
所述Ga2O3薄膜厚度为100nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，其特征在于，
所述p型spiro-MeOTAD薄膜厚度为20nm～800nm。
4.根据权利要求1所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，其特征在于，
所述第一电极的材料采用金、银、铜和铝中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器，其特征在于，
所述第二电极的材料采用金、银、铜、铝、铂、钛、镓和铟中的一种或多种组合。
6.一种spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)使用薄膜制备方法在n型Si衬底上生长Ga2O3薄膜，厚度为50nm～2000nm；
(2)制备不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液；
(3)将不同溶液浓度的spiro-MeOTAD溶液滴在Ga2O3薄膜上进行旋涂，转速为800转/秒～4000转/秒，时间为10秒～60秒，形成20nm至800nm不同厚度的p型spiro-MeOTAD有机物薄膜；
(4)将旋涂好的样品在干燥柜中放置2小时～24小时；
(5)制备与p型spiro-MeOTAD有机物薄膜欧姆接触的第一电极；
(6)制备与n型Si衬底欧姆接触的第二电极。
7.根据权利要求6所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，
所述薄膜制备方法包括激光脉冲沉积法(PLD)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延技术(MBE)、磁控溅射法(RF)或溶胶凝胶法(Sol-gel)中的一种或多种方法。
8.根据权利要求6所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，
制备的spiro-MeOTAD溶液的溶液浓度为9mg/ml～144mg/ml，其中，溶质为spiro-MeOTAD，溶剂为氯苯。
9.根据权利要求6所述的spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p-i-n光电二极管型日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，
所述第一电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合；
所述第二电极的制备方法为热蒸镀和磁控溅射中的一种或两种组合。
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