CN113328005A - 一种光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电探测器及其制备方法，光电探测器包括衬底、超宽禁带层、窄禁带层以及电极层，超宽禁带层用于响应深紫外波段的光谱，窄禁带层用于响应可见、红外至太赫兹波段光谱，电极沉积于超宽禁带层和/或窄禁带层。本发明提供的光电探测器制备工艺简单，响应速度快，不仅能够有效测试短波深紫外波段，还构成了一个超宽光谱响应器件，实现从深紫外到红外波段乃至太赫兹波段的超宽光谱响应。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
从紫外(UV)到可见、红外(IR)乃至太赫兹区域的超宽光谱探测对于正在不断增长的工业和科研应用至关重要，例如天文成像、通信、环境监测、导弹拦截、昼夜监控以及化学/生物感应。将光信号转换为电信号的光电探测器已广泛用于成像、传感和通信等领域。
然而，迄今为止，大多数关于光电探测器的研究都集中在特定波段的检测。目前在复杂的应用领域中，一般需要集成多个对不同波段响应的探测器来满足广光谱探测的需求，这极大的增加了系统的复杂度和结果的不稳定性。现有的宽谱探测器不能对短波深紫外波段有很好的响应。而短波深紫外，在紫外制导、紫外通信、生物化学检测等等这些领域有着非常重要的应用。因此，在深紫外至太赫兹波段均具有响应的超宽光谱探测器对于工业和科研应用来说是必不可少的。
超宽禁带半导体，其禁带宽度介于4.4-6.2eV，这些材料对应的光谱响应截止波长在短波深紫外波段。超宽的禁带宽度使得这些材料具有击穿场强高、耐高温、抗辐照性能好的特点，对极端环境和工作条件的耐受性更好，是天然的可工作在恶劣环境下的短波深紫外吸收材料。窄禁带半导体通常用作红外探测材料或宽光谱探测材料，比如Fe3O4探测波长可达10μm，CH3NH3PbI3对太赫兹波段仍有响应。通过构建上述超宽禁带半导体材料及窄禁带半导体材料的异质结，可以实现从短波深紫外到远红外乃至太赫兹波段探测的目标。根据能带理论，上述超宽光谱探测器具有光伏效应，在光照下产生的自由载流子在异质结内建电场的作用下分别被快速运输到器件两端，使探测器的暗电流，灵敏度，响应速度等性能得到有效提升。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种光电探测器及其制备方法，旨在改善现有技术中，在复杂的应用领域中需要集成多个对不同波段响应的探测器才能满足超宽光谱探测需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种光电探测器，包括：
衬底；
窄禁带层，用于响应可见、红外至太赫兹波段的光谱；
超宽禁带层，用于响应深紫外波段的光谱；以及，
一对电极，沉积于所述超宽禁带层和/或所述窄禁带层上。
可选地，所述超宽或窄禁带层可以为块材、薄膜或纳米结构中的任意一种。
可选地，所述超宽禁带层的制成材料为氧化镓、氮化铝、金刚石、铝镓氮、铝镓氧、锌镁氧中的一种。
可选地，所述窄禁带层的制成材料为Fe3O4、MoS2、Mo2C、MoSe2、SnSe、MAPbX3中的一种；
其中，MA表示CH3NH3 +/CH(NH2)2 +，X表示I/Br/Cl。
可选地，沉积于超宽禁带层的电极的制成材料为Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au、石墨烯中的一种。
可选地，沉积于窄禁带层的电极的制成材料为Ti/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au、石墨烯中的一种。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1：在衬底上沉积窄禁带材料；
S2：在窄禁带材料上沉积超宽禁带材料；
S3：图形化超宽禁带材料；
S4：在窄禁带材料上沉积相应电极；
S5：在超宽禁带材料上沉积相应电极。
本发明提供的光电探测器将具有深紫外探测效果的超宽禁带半导体与响应在红外乃至太赫兹区间的窄禁带半导体材料相复合，将探测范围拓展至远红外波段，构成从深紫外到远红外的超宽光谱响应光电探测器，满足在复杂的应用领域中需要同时对多个不同波段进行探测的需求。且通过构建两者的异质结，利用结效应使在光照下产生的光生电子空穴对在异质结内建电场的作用下分别被快速运输到器件两端，使探测器的暗电流，灵敏度，响应速度等性能得到有效提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的光电探测器的薄膜型一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的光电探测器的纳米点修饰纳米线型一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的光电探测器的纳米点修饰薄膜型的结构示意图；
图4为本发明提供的光电探测器的薄膜型的制备方法的流程图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 101 | 衬底 | 104 | 电极 |
| 102 | 窄禁带层 | 105 | 纳米线 |
| 103 | 超宽禁带层 | 106 | 纳米点 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
光电探测器包括对深紫外波段有响应的超宽禁带层103、对红外宽谱响应的窄禁带层102以及电极层。衬底101为绝缘衬底，在使用之前可以对其进行清洗或打磨等预处理。电极104的形状可以为方形、圆形、叉指形中的任意一种，电极104的厚度不限。
如图1所示，在一实施例中，窄禁带层102铺设于衬底101上，超宽禁带层103铺设在窄禁带层上，在超宽禁带层103和窄禁带层102上均沉积有电极104。
如图2所示，在一实施例中，超宽禁带材料结构包括纳米线105，窄禁带材料结构包括多个纳米点106，两个电极104间隔铺设于衬底101上，对深紫外波段有响应的纳米线105设于衬底101上并位于两个电极104之间，多个对红外宽谱有响应的窄禁带材料纳米点106设于纳米线105之上。超宽禁带材料纳米线105可以通过水热法等化学合成方式生成，之后通过胶带或PDMS将其机械转移至衬底上，宽禁带材料可以为氧化镓、氮化铝、金刚石、铝镓氮、铝镓氧、锌镁氧等其他宽禁带材料的一种，纳米线长度1-1000nm。窄禁带材料纳米点可以通过水热法等化学合成或者物理超声的方式制作而成，通过旋涂、打印或滴蘸等方式的其中一种沉积于宽禁带材料纳米线上，材料优选为Fe3O4、MoS2、Mo2C、MoSe2、SnSe、MAPbX3(MA＝CH3NH3 +/CH(NH2)2 +；X＝I/Br/Cl)等材料中的一种，纳米点尺寸1-100nm。在纳米线两端沉积相应金属电极片，材料优选为Ti/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au、ITO、Pt、Au或石墨烯中的一种，电极形状可以为方形、圆形、叉指其中任意一种，电极厚度不限。
参见图3，在一实施例中，超宽禁带层103铺设于衬底101上，窄禁带层结构包括多个纳米点106，对电极104间隔铺设于超宽禁带层103上，多个纳米点106设于超宽禁带层103上并位于两个电极104之间。超宽禁带层103对深紫外波段有响应，附着在超宽禁带层103薄膜上的纳米点106对红外宽光谱响应。
超宽禁带材料薄膜可以通过MOCVD、PECVD、ALD、PLD、sputter等化学/物理沉积或机械剥离转移等方式的其中一种沉积在窄禁带材料上，宽禁带材料可以为氧化镓、氮化铝、金刚石、铝镓氮、铝镓氧、锌镁氧等其他宽禁带材料的一种，薄膜厚度1-1000nm。
窄禁带材料纳米点可以通过水热法等化学合成或者物理超声的方式制作而成，通过旋涂、打印或淌蘸等方式的其中一种沉积于宽禁带材料薄膜上，材料优选为Fe3O4、MoS2、Mo2C、MoSe2、SnSe、MAPbX3(MA＝CH3NH3 +/CH(NH2)2 +；X＝I/Br/Cl)等材料中的一种，纳米点尺寸1-100nm。
在薄膜上沉积相应金属对电极，材料优选为Ti/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Ti/Al/Ni/Au、ITO、Pt、Au或石墨烯中的一种，电极形状可以为方形、圆形、叉指其中任意一种，电极厚度不限。
综上所述，本发明中的光电探测器，将具有深紫外探测效果的宽禁带半导体材料氧化镓与在红外波段有宽谱响应的窄禁带半导体材料相复合，将探测范围从深紫外拓展至远红外至太赫兹波段，满足了在复杂的应用领域中需要同时对多个不同波段进行探测的需求。且通过构建两者的异质结，利用结效应使在光照下产生的光生电子空穴对在异质结内建电场的作用下分别被快速运输到器件两端，使探测器的暗电流，灵敏度，响应速度等性能得到有效提升。
此外如图4所示，本发明还提供了一种光电探测器的制备方法，用于制备如图1所示的薄膜型光电探测器，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上沉积窄禁带材料。
需要说明的是，该衬底为绝缘衬底，使用之前可以对其进行清洗或打磨等预处理。窄禁带材料薄膜可以通过化学/物理气相沉积、旋涂/打印或剥离转移等方式的其中一种沉积在衬底上，材料优选为Fe3O4、MoS2、Mo2C、MoSe2、SnSe、MAPbX3(MA＝CH3NH3 +/CH(NH2)2 +；X＝I/Br/Cl)等材料中的一种，薄膜厚度1-1000nm。
步骤S2：在窄禁带材料上沉积超宽禁带材料薄膜。
需要说明的是，超宽禁带材料薄膜可以通过MOCVD、ALD、sputter等化学/物理沉积或机械剥离转移等方式的其中一种沉积在窄禁带材料上，薄膜厚度1-1000nm。
步骤S3：若窄禁带材料被超宽禁带材料薄膜完全掩盖，则在顶层薄膜上进行图形化以露出下层材料表面。
需要说明的是，图形化方式可以选择ICP干法刻蚀或化学湿法腐蚀，刻蚀步骤之后可以通过高温退火、溶液浸泡等方式对刻蚀损伤进行修复。
步骤S4：在窄禁带材料上沉积相应电极。
需要说明的是，材料优选为Ti/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au或石墨烯中的一种，电极形状可以为方形、圆形、叉指其中任意一种，电极厚度不限。
步骤S5：在超宽禁带材料上沉积相应电极。
需要说明的是，材料优选为Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au或石墨烯中的一种，电极形状可以为方形、圆形、叉指其中任意一种，电极厚度不限。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底；
窄禁带层，用于响应可见、红外至太赫兹波段的光谱；以及，
超宽禁带层，用于响应深紫外波段的光谱；
一对电极，沉积于所述超宽禁带层和/或所述窄禁带层上。
2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述超宽或窄禁带层可以为块材、薄膜或纳米结构中的任意一种。
3.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述超宽禁带层材料为氧化镓、氮化铝、金刚石、铝镓氮、铝镓氧、锌镁氧中的一种。
4.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述窄禁带层材料为Fe3O4、MoS2、Mo2C、MoSe2、SnSe、MAPbX3中的一种；
其中，MA表示CH3NH3 +/CH(NH2)2 +，X表示I/Br/Cl。
5.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，沉积于所述超宽禁带层的所述电极的制成材料为Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au、石墨烯中的一种。
6.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，沉积于所述窄禁带层的所述电极的制成材料为Ti/Au、Cr/Au、Ag、In、ITO、Ni/Au、Pt、Au、石墨烯中的一种。
7.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在衬底上沉积窄禁带材料；
S2：在所述窄禁带材料上沉积超宽禁带材料；
S3；图形化超宽禁带材料层；
S4：在所述窄禁带材料上沉积相应电极；
S5：在所述超宽禁带材料上沉积相应电极。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114883431A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-09 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种紫外/红外双波段光电探测器及其制备方法 |
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