CN114023829A - 一种紫外波段响应改善型硅光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，属于光电器件技术领域，其包括由下至上依次设置的正电极、N型掺杂区、本征层、P型掺杂区、钝化层、荧光量子点层、负电极。本发明设置的荧光量子点层受紫外波段的光谱照射时，会发出受激发的发光光谱，而激发的发光光谱会再次被硅光电二极管响应，从而有效增强紫外波段光谱响应，使紫外波段灵敏度得到有效提升。本发明的器件结构简单、与传统制备工艺相兼容、成本较低，适合产业化应用。
Description
技术领域
本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种紫外波段响应改善型硅光电二极管。
背景技术
硅光电二极管(PIN二极管)是一种快速光电器件，它由PN结的P区、N区和两区之间的I本征层所组成。因为PIN二极管具有良好的温度性能，低工作电压，低暗电流，对磁场不敏感，高响应速度，较宽的光谱响应，稳定可靠和价格低廉，等诸多优点，业已广泛应用于光纤通信、光电检测和激光测距等诸多领域。性能优良的硅光电二极管也成为国际众多著名公司开发研制的重要目标，如德国的西门子公司，日本的滨松公司和法国的施卢姆贝格公司等。普通商用的硅光电二极管光谱响应范围在400nm～1100nm,对190nm～360nm紫外波段无明显的光响应，并在在360nm～450nm波段光响应度也偏低。而高性能的紫外波段敏感的探测器在地质探矿、核医学、环境保护以及天文学等众多领域都有广泛的应用需求。然而，目前高性能的硅基紫外增强型光电二极管价格昂贵，且需求基本依赖于国外进口。
CN104701420A公开了“硅基紫外增强型光电二极管制作方法”采用低能离子注入、瞬态退火、低温PECVD等诸多连续工艺制备硅基紫外增强型光电二极管。但该技术方案主要针对190nm～360nm紫外波段增强，而不适应于360nm～450nm的波段的响应增强。
发明内容
发明目的：本发明提供一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，与传统制备工艺相兼容、成本较低，适合产业化应用。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，包括由下至上依次设置的正电极、N型掺杂区、本征层、P型掺杂区、钝化层、荧光量子点层、负电极。
优选的，所述的正电极为金属薄膜电极，材质选自铝、金、铬、钛、银中的一种或两种。
优选的，所述的N型掺杂区，掺杂浓度在4×1018cm-3～5×1020cm-3，厚度为1.5～5μm。
优选的，所述的本征层的厚度为20～100μm。
优选的，所述的P型掺杂区的掺杂浓度在1×1014cm-3～2×1016cm-3，厚度为10～600nm。
优选的，所述的钝化层的厚度为100～800nm，材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝中的一种。
优选的，所述的荧光量子点层的厚度为10～100nm，材质为碳量子点(C QDs)、硫化锌/磷化铟量子点(InP/ZnS QDs)、硫化铅量子点(PbS QDs)、钙钛矿量子点(CsPbX3 QDs)中的一种。
优选的，所述的荧光量子点材料的荧光量子产率大于60％。
优选的，所述的负电极为金属薄膜电极，材质选自钛/铝合金、钛/金合金、钛/银合金、铬/金合金、金、铝中的一种。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，具有紫外波段光谱响应度高、与传统制备工艺相兼容、成本低廉，适合产业化应用等优点。本发明在硅光电二极管结构中设置的荧光量子点层，荧光量子点层受紫外波段的光谱照射时，会发出受激发的发光光谱，而激发的发光光谱会再次被硅光电二极管响应，从而有效增强紫外波段光谱响应，使紫外波段灵敏度得到有效提升。
附图说明
图1是本发明硅光电二极管结构图；
图2是实施例1的硫化锌/磷化铟量子点的激发的发光光谱图；
图3是实施例1的硅光电二极管结光谱响应测试图；
图4是实施例2的碳量子点的激发的发光光谱图；
图5是实施例2的硅光电二极管结电流响应测试图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种被动式辐射冷却复合材料薄膜进行详细描述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
此外，应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，包括由下至上依次设置的正电极1、N型掺杂区2、本征层3、P型掺杂区4、钝化层5、荧光量子点层6、负电极7。
正电极1为金属薄膜电极，材质选自铝、金、铬、钛、银中的一种或两种。
N型掺杂区2，掺杂浓度在4×1018cm-3～5×1020cm-3，厚度为1.5～5μm。
本征层3的厚度为20～100μm。
P型掺杂区4的掺杂浓度在1×1014cm-3～2×1016cm-3，厚度为10～600nm。
钝化层5的厚度为100～800nm，材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝中的一种。
荧光量子点层6的厚度为10～100nm，材质为碳量子点(C QDs)、硫化锌/磷化铟量子点(InP/ZnS QDs)、硫化铅量子点(PbS QDs)、钙钛矿量子点(CsPbX3QDs)中的一种。
荧光量子点层6的荧光量子产率大于60％。
负电极7为金属薄膜电极，材质选自钛/铝合金、钛/金合金、钛/银合金、铬/金合金、金、铝中的一种。
实施例1：
图1是本发明硅光电二极管结构图。图2是实施例1的硫化锌/磷化铟量子点的激发的发光光谱图。图3是实施例1的硅光电二极管结光谱响应测试图。参见图1至图3，在本实施例中，采用扩散方式进行N型重掺杂形成N型掺杂区2，掺杂浓度为4×1018cm-3，结厚1.5μm；对外延片(注：外延片包括N型掺杂区2，本征层3和P型掺杂区4)的另一面采用离子注入方式进行P型轻掺杂，形成P型掺杂区4，掺杂浓度为1×1014cm-3，厚度为10nm，此时本征层3的厚度为20μm；采用高温氧化工艺，在器件表面形成材质为二氧化硅的钝化层5，厚度为100nm；采用滴涂工艺在P型掺杂区4表面滴涂溶剂为乙醇，浓度为4mg/ml的硫化锌/磷化铟量子点溶液，并在50℃干燥2h，形成荧光量子点层6，厚度为10nm；采用电子束蒸发和湿法刻蚀制备出材质为钛/铝双层金属薄膜负电极7；最后采用电子束蒸发工艺在器件背面制备材质为铬/金的双层金属膜正电极1。本实施例的硫化锌/磷化铟量子点的激发的发光光谱图如图2所示，从图中可以看出硫化锌/磷化铟量子点受激发的发光光谱的峰值在625nm，处于硅光电二极管响应度较高波段。为了清楚表明本发明的有益效果，在上述相同工艺步骤下，我们同时制备了无荧光量子点层6的传统常规标准参考器件，同时测试本实施例和常规标注参考器件的光谱响应。如图3所示，在340nm～550nm波段，本实施例的光谱响应获得较好改善，在360nm处，与常规标准参考器件项目比，光谱响应提升6.35倍。
实施例2：
图1是本发明硅光电二极管结构图。图4是实施例2的碳量子点的激发的发光光谱图，图5是实施例2的硅光电二极管结电流响应测试图。参见图1，图4和图5。在本实施例中，采用扩散方式进行N型重掺杂形成N型掺杂区2，掺杂浓度为5×1020cm-3，结厚5μm；对外延片的另一面采用离子注入方式进行P型轻掺杂，形成P型掺杂区4，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为600nm，此时本征层3的厚度为100μm；采用高温氧化工艺，在器件表面形成材质为氮化硅的钝化层5，厚度为800nm；采用滴涂工艺在P型掺杂区4表面滴涂溶剂为去离子水，浓度为2mg/ml的碳量子点溶液，并在40℃干燥2h，形成荧光量子点层6，厚度为100nm；采用电子束蒸发和湿法刻蚀制备出材质为铬/金双层金属薄膜负电极7；最后采用电子束蒸发工艺在器件背面制备材质为铝的金属膜正电极1。本实施例的碳量子点的激发的发光光谱图如图4所示，从图中可以看出硫化锌/磷化铟量子点受激发的发光光谱的峰值在520nm，也处于硅光电二极管响应度较高波段。同样，为了清楚表明本实施例的有益效果，在上述相同工艺步骤下，我们同样制备了无荧光量子点层6的传统常规标准参考器件，同时测试本实施例和常规标注参考器件在350nm处的电流响应。如图5所示，可见本实施例在紫外波段350nm处的光生电流获得大幅提升，直接表明光谱响应获得较好改善，该波长光电流提升达31％。
Claims (9)
1.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：包括由下至上依次设置的正电极(1)、N型掺杂区(2)、本征层(3)、P型掺杂区(4)、钝化层(5)、荧光量子点层(6)、负电极(7)。
2.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的正电极(1)为金属薄膜电极，材质选自铝、金、铬、钛、银中的一种或两种。
3.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的N型掺杂区(2)，掺杂浓度在4×1018cm-3～5×1020cm-3，厚度为1.5～5μm。
4.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的本征层(3)的厚度为20～100μm。
5.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的P型掺杂区(4)的掺杂浓度在1×1014cm-3～2×1016cm-3，厚度为10～600nm。
6.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的钝化层(5)的厚度为100～800nm，材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝中的一种。
7.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的荧光量子点层(6)的厚度为10～100nm，材质为碳量子点、硫化锌/磷化铟量子点、硫化铅量子点、钙钛矿量子点中的一种。
8.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的荧光量子点层(6)的荧光量子产率大于60％。
9.一种紫外波段响应改善型硅光电二极管，其特征在于：所述的负电极(7)为金属薄膜电极，材质选自钛/铝合金、钛/金合金、钛/银合金、铬/金合金、金、铝中的一种。
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