CN118173630A - 一种光探测器及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光探测器及其制备方法和用途。所述光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极、功能层和第二衬底；所述功能层包括BiI3‑BiI异质结层，所述第一衬底和第二衬底择一存在或同时存在。本发明提供的光探测器结构，BiI3‑BiI异质结层作为功能层，形成耗尽层，显著降低了光探测器的暗电流，提高了响应速度，性能十分优异。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种光探测器及其制备方法和用途。
背景技术
光探测器是现代工业互连和人工智能的基础，它将光信号转换为可编辑的电信号，这使其成为连接不同设备的关键部分。高性能的光探测器在生物健康、国防安全、自动驾驶、机器视觉、成像、光通信等特殊领域有着更深入和广泛的应用。
传统的商用光探测器的光活性材料通常是硅(silicon，Si)、锗(germanium，Ge)、III-V混合半导体等。存在以下问题：①不同半导体材料间的外延生长，需要严格匹配晶格，否则会由于晶格失配带来的应力而产生大量缺陷，最终影响器件性能；②晶体材料的生长需要极其严格的高温、高真空环境，因此能耗很高；③传统商用的无机非金属材料不具备柔性特点，无法满足新型光电器件对柔性的要求。
包含超晶格、量子阱/垒在内的二维范德华异质结，由于其具备丰富的材料体系和奇特的低纬特性，在电子学和光电子领域有着广泛的应用前景。二维材料，如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，可以在晶格匹配要求的限制之外合理地堆叠。因此，可以通过堆叠的二维材料异质结实现原子级锐利的超晶格结构，从而提升器件性能。然而，目前大多数制备范德华异质结的方法是机械剥离和人工堆叠，这种方法对于构建结构简单的器件是有效的，但是较难构建结构复杂、层数较多的器件(存在的问题①)。且在转移的过程中，存在界面污染等问题(问题②)。
气相化学沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)和分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)是实现具有原始界面的范德华异质结构的有效合成途径，存在的问题是：需要超高真空系统、较高的生长温度和精细的控制等。
二维材料的光吸收效率高，且制备成器件后存在激子或等离子体波辅助效应等多机制，使得沟道光活性材料为二维材料的光电探测器通常比传统的Si基或III-V基光电探测器具有更高的响应率。但是基于二维材料的光探测器存在无法兼具低暗电流和高响应速度的问题。
因此，如何使得光探测器兼具低暗电流和高响应速度，提升性能，且提高制备效率，是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光探测器及其制备方法和用途。本发明提供的光探测器结构，BiI3-BiI异质结层作为功能层，形成耗尽层，显著降低了光探测器的暗电流，提高了响应速度，性能十分优异。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种光探测器，所述光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极、功能层和第二衬底；
所述功能层包括BiI3-BiI异质结层，所述第一衬底和第二衬底择一存在或同时存在。
电极包括但不限于金、银或石墨烯等。
本发明提供的光探测器结构，BiI3-BiI异质结层作为功能层，形成耗尽层，降低了有源层中非辐射复合几率，从而显著降低了光探测器的暗电流，提高了响应速度，性能十分优异；进一步将光探测器用于宽光谱成像装置时，成像效果良好。
本发明中，功能层如果不为BiI3-BiI异质结层，则无法实现耗尽，无法降低光探测器的暗电流；而如果选用其他的异质结结构，而非本发明特定的BiI3-BiI异质结层，选用其他物质的异质结结构，同样不能解决暗电流高的问题。
优选地，所述第一衬底的厚度为100～1000μm，例如100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1000μm等。
本发明中，第一衬底存在时，一方面可直接作为衬底，另一方面，还起到了保护层的作用，避免了功能层与空气中的水和氧气的接触，同时还强化了电极与功能层的接触，有利于载流子的传输；进一步地，其厚度值过厚，会影响器件的柔性，而厚度值过薄，又会因为机械性能差而导致器件不稳定。
优选地，所述第一衬底的材质包括柔性有机物。
本发明中，第一衬底选用柔性有机物，实现了衬底的柔性，可作为柔性器件使用；且柔性有机物为常规技术选择，即可作为衬底的柔性膜层，本发明均适用，包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、PVA、PET等；且如果第一衬底的材质不是柔性有机物，而是其他的硬质衬底，如云母片或蓝宝石等，则会出现第一衬底和第二衬底之间的接触的问题，柔性衬底贴合性更好。
优选地，所述电极包括第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极互补接触。
优选地，所述第一电极和第二电极之间的间隔距离为1～100μm，例如1μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等。
优选地，所述功能层的厚度≤35nm，例如35nm、30nm、25nm、20nm、15nm或10nm等，优选为10～30nm，例如10nm、13nm、15nm、18nm、20nm、23nm、25nm、28nm或30nm等。
本发明中，功能层的厚度过厚，超过35nm，则会导致功能层带隙发生改变，导致光探测器光响应范围发生改变；进一步地，功能层在进一步优选的10～30nm数值范围内，带隙更为合适，从而得到了宽光谱响应光探测器。
优选地，所述第一衬底和第二衬底同时存在。
本发明中，第一衬底和第二衬底同时存在时，更有利于器件结构的稳定，第一衬底起到保护功能层的作用；且不对第二衬底的材质不做限定，本领域技术人员可得到的，适用于光探测器件的衬底，本发明均适用，包括但不限于PDMS软膜、玻璃片、硅片、云母片或蓝宝石等；当第一衬底和第二衬底均为软膜材质时，本发明提供的光探测器可作为柔性器件使用，即本发明提供的光探测器，可依据各种需求，进行适应性调整。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的光探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在第一衬底表面复合得到电极结构，得到第一结构，将第一结构与第二结构进行加压复合，得到所述光探测器；
其中，第二结构包括依次层叠的功能层和第二衬底；
或，所述第二结构包括功能层；所述功能层包括BiI3-BiI异质结层。
本发明制备光探测器时，不采用叠层制备的方法，而是分结构制备，再进行复合，即先制备得到电极层，再将电极和功能层之间通过加压复合的方式结合，才能得到结构完整的光探测器；且制备方法简单，适用于大规模生产。
本发明中，如果直接在功能层表面制备得到电极结构，由于光刻工艺中的有机溶剂会导致功能层材料损坏，在功能层表面制备电极结构时，则会出现功能层材料严重损坏的问题，导致光探测器性能损坏。
优选地，所述第一结构的制备方法包括：在基础衬底表面制备得到电极，然后通过第一衬底，将电极从基础衬底表面转移至第一衬底表面，得到第一结构。
本发明中，基础衬底也为常规技术选择，本领域技术人员可依据实际需求进行适应性选择，如可选二氧化硅/硅衬底。
优选地，在基础衬底表面进行疏水处理后，再制备得到电极。
本发明中，对基础衬底进行疏水处理再制备电极，保证了电极可以从基础衬底上轻易脱离，从而实现电极的转移。
优选地，所述电极的制备方法包括激光直写法和/或蒸镀法。
优选地，所述BiI3-BiI异质结的制备方法包括：
将铋源、碘源、催化剂、还原剂和溶剂混合，得到前驱体溶液，将前驱体溶液在预处理液中进行预处理后，水浴生长，得到所述BiI3-BiI异质结。
本发明中，通过溶液法制备得到BiI3-BiI异质结，在预处理和水浴生长的作用下，Bi3+逐渐被I-还原，具体化学式如下：
在BiI3中通过溶液法插层BiI，得到了BiI3-BiI异质结结构；与常规的制备异质结的方法相比，本发明提供的溶液法，具备快速、大面积、低功耗的优势。
优选地，所述催化剂包括金属催化剂。
优选地，所述溶剂包括乙醇。
优选地，所述还原剂包括氢碘酸。
优选地，所述预处理的温度为50～130℃，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃或130℃等。
本发明中，预处理的温度过高，会导致溶剂快速挥发，不利于反应的进行，温度过低，又会影响Bi3+还原反应的进行。
优选地，所述预处理的处理液包括1,4-丁内酯和/或水。
优选地，所述预处理包括：先于1,4-丁内酯中进行第一预处理，再于水中进行第二预处理。
本发明中，分别采用1,4-丁内酯和水对前驱体溶液进行预处理，可更好地溶解原材料。
优选地，所述第一预处理的次数为2～5次，例如2次、3次、4次或5次等。
优选地，所述水浴生长的时间为5～15天，例如5天、6天、7天、8天、9天、10天、11天、12天、13天、14天或15天等。
优选地，所述BiI3-BiI异质结的最大长度为5mm～1cm，例如5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm或1cm等。
优选地，所述第二结构包括依次层叠的功能层和第二衬底时，制备方法包括：
通过机械剥离法在第二衬底表面复合功能层。
本发明中，得到BiI3-BiI异质结材料后，通过简单的机械剥离，即可得到功能层。
优选地，所述加压复合在保护性气氛下进行。
本发明中，在保护性气氛下进行加压复合，有利于功能层材料不被空气中的水、氧气破坏，而在其他气氛(如空气气氛下)，可能会使功能层材料损坏。
优选地，所述加压复合的压力为0.1～10Pa，例如0.1Pa、0.5Pa、1Pa、2Pa、3Pa、4Pa、5Pa、6Pa、7Pa、8Pa、9Pa或10Pa等。
本发明中，加压复合的压力过大，会导致功能层被压裂，而过小，又会影响功能层与电极之间的接触。
作为优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
在基础衬底表面进行疏水处理后，在经过疏水处理的衬底表面通过激光直写法和/或蒸镀法制备电极，然后通过第一衬底，将电极从基础衬底表面转移至第一衬底表面，得到第一结构；
通过机械剥离法在第二衬底表面复合功能层，得到第二结构；
将第一结构与第二结构在保护性气氛下以0.1～10Pa的压力进行加压复合，得到所述光探测器；
其中，所述功能层包括BiI3-BiI异质结层；所述BiI3-BiI异质结的制备方法包括：
将铋源、碘源、金属催化剂、乙醇和氢碘酸混合，得到前驱体溶液，将前驱体溶液在1,4-丁内酯溶液中以50～130℃的温度进行第一预处理后，再于水中进行第二预处理，水浴生长5～15天，得到最大长度为5mm～1cm的BiI3-BiI异质结。
需要说明，本发明中电极的制备方法以及转移方法，以及功能层的机械剥离的具体操作过程，均为本领域技术人员的常规技术手段；且除进行了特殊限定外的结构以及材质，其余的结构和材质，均为常规技术选择。
第三方面，本发明提供一种光探测器的用途，所述用途包括将如第一方面所述的光探测器用于半导体器件中。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的光探测器结构，BiI3-BiI异质结层作为功能层，形成耗尽层，显著降低了光探测器的暗电流，提高了响应速度，且比探测率优异，实现了多性能的兼顾提升，性能十分优异。
(2)本发明制备光探测器时，不采用叠层制备的方法，而是分结构制备，再进行复合，即先制备得到电极层，再将电极和功能层之间通过加压复合的方式结合，才能得到结构完整的光探测器；且制备方法简单，适用于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1提供的光探测器的结构示意图。
图2为实施例1提供的BiI3-BiI异质结的光学照片。
图3为实施例1提供BiI3-BiI异质结的TEM图
图4为实施例1提供的BiI3-BiI异质结的原子结构示意图。
图5为实施例1提供的BiI3-BiI异质结的能带示意图以及BiI3-BiI界面上的内置电场图。
图6为实施例1提供的BiI3-BiI异质结的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图和能谱图；
(a-c)BiI分别在BiI3顶部、中部和底部的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图，(d-f)为少层BiI的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图及对应的X射线能谱仪(EDS)图，(g-i)为BiI3层的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图及对应的X射线能谱仪(EDS)图。
图7为实施例1提供的光探测器的制备流程示意图。
图8为实施例1提供的光探测器的响应度随波长变化曲线图。
图9为实施例1提供的光探测器在暗态下的I-V曲线图。
图10为实施例1提供的光探测器的噪声电流图。
图11为实施例1提供的光探测器的响应速度图。
图12为应用例1提供的成像装置示意图。
图13为应用例1提供的成像装置示意图的成像图案。
其中，001-第一衬底，002-电极，003-功能层，004-第二衬底。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种光探测器，如图1所示，光探测器包括依次层叠的第一衬底001、电极002、功能层003和第二衬底004；功能层003为BiI3-BiI异质结层(厚度为25nm)。
第一衬底001为PDMS软膜(厚度为500μm)，电极002为金电极，分别为第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极之间的间隔为10μm，第二衬底004为二氧化硅衬底。
所述光探测器的制备方法如下(具体制备流程示意图如图7所示)：
在SiO2/Si衬底上旋涂一层疏水有机物(十八烷基三甲基硅氧烷，补充具体物质)，得到SAM-SiO2/Si衬底，通过激光直写和热蒸镀方法，在SAM-SiO2/Si衬底上得到金电极(第一电极和第二电极)，用PDMS(第一衬底)将金电极撕下，得到第一结构；
通过机械剥离技术在第二衬底(二氧化硅)上复合BiI3-BiI纳米片(功能层)，得到第二结构；
氮气气氛下，将表面有金属电极的PDMS(第一结构)以5Pa的压力缓慢压到表面有BiI3-BiI纳米片的第二衬底上(电极与功能层复合)，得到所述光探测器；
其中，BiI3-BiI异质结的制备方法如下：
将Bi2O3、I2和Au(作为催化剂)溶解在乙醇和氢碘酸的混合溶液中，得到前驱体溶液，前驱体溶液在1,4-丁内酯中溶剂中以80℃的温度进行第一预处理(处理3次)，然后在水溶液中以相同的温度第二预处理1次，最后在室温下水浴生长14天后，前驱体溶液在没有任何干扰的情况下，可得到尺寸为6mm(最大长度)的BiI3-BiI异质结晶体。
图2示出了实施例1提供的BiI3-BiI异质结的光学照片，从图2可以看出，生长的晶体呈现规则的六边形形状和大尺寸(6×6×1mm3)，表明BiI3-BiI异质结晶体的质量高。
图3示出了实施例1提供BiI3-BiI异质结的TEM图，图4示出了实施例1提供的BiI3-BiI异质结的原子结构示意图，从图3和图4可以看出，在像差校正的STEM辅助下，在高角度环形暗场(HAADF)成像模式下，可以观察到截面特征和叠加顺序。层状范德华晶体是由两种不同层状结构交替堆叠而成。暗层状结构为I-Bi-I三原子层的桩状结构，与BiI3的原子结构模型一致。相比之下，明亮区域显示富Bi相，包含I-Bi-Bi-I四个原子层，化学成分为BiI。
图5示出了实施例1提供的BiI3-BiI异质结的能带示意图以及BiI3-BiI界面上的内置电场图，BiI3-BiI异质结构的能带图如图5所示。BiI3和BiI形成II型排列，通过电子从BiI3扩散到BiI，在其界面处形成内置电场。
图6示出了实施例1提供的BiI3-BiI异质结的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图和能谱图；
(a-c)BiI分别在BiI3顶部、中部和底部的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图，(d-f)为少层BiI的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图及对应的X射线能谱仪(EDS)图，(g-i)为BiI3层的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图及对应的X射线能谱仪(EDS)图。
为了进一步区分富Bi的I-Bi-Bi-I层，进行了STEM-EDS图谱和HAADF-STEM研究，如图6所示，可以区分出原子不同的异质结构，其中BiI层随机分布在厚BiI3层的表面/底部和内部，导致BiI3/BiI/BiI3异质结构交替堆叠。对BiI3厚区和BiI3薄区进行EDS制图，进一步分别确定化学成分；可以区分出原子不同的异质结构，其中BiI层随机分布在厚BiI3层的表面/底部和内部，导致BiI3/BiI/BiI3异质结构交替堆叠。与其他富铋碘化物(如α-或β-Bi4I4)具有单斜晶格的准一维结构不同，这表明本发明中的BiI具有明显的二维层状结构。
实施例2
本实施例提供一种光探测器，所述光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极、功能层和第二衬底；所述功能层为BiI3-BiI异质结层(厚度为30nm)。
第一衬底为PDMS软膜(厚度为1000μm)，电极为银电极，分别为第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极之间的间隔为50μm，第二衬底为云母片衬底。
所述光探测器的制备方法如下：
在SiO2/Si衬底上旋涂一层疏水有机物(十八烷基三甲基硅氧烷，补充具体物质)，得到SAM-SiO2/Si衬底，通过激光直写和热蒸镀方法，在SAM-SiO2/Si衬底上得到金电极(第一电极和第二电极)，用PDMS(第一衬底)将银电极撕下，得到第一结构
通过机械剥离技术在第二衬底(蓝宝石)上复合BiI3-BiI纳米片(功能层)，得到第二结构；
氮气气氛下，将表面有金属电极的PDMS(第一结构)以10Pa的压力缓慢压到表面有BiI3-BiI纳米片的第二衬底上(电极与功能层复合)，得到所述光探测器；
其中，BiI3-BiI异质结的制备方法如下：
将Bi2O3、I2和Au(作为催化剂)溶解在乙醇和氢碘酸的混合溶液中，得到前驱体溶液，前驱体溶液在1,4-丁内酯中溶剂中以130℃的温度进行第一预处理(处理3次)，然后在水溶液中以相同的温度第二预处理1次，最后在室温下水浴生长10天后，前驱体溶液在没有任何干扰的情况下，可得到尺寸为6mm(最大长度)的BiI3-BiI异质结晶体。
实施例3
本实施例提供一种光探测器，所述光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极、功能层和第二衬底；所述功能层为BiI3-BiI异质结层(厚度为10nm)。
第一衬底为PDMS软膜(厚度为100μm)，电极为金电极，分别为第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极之间的间隔为10μm，第二衬底为PDMS软膜。
所述光探测器的制备方法如下：
在SiO2/Si衬底上旋涂一层疏水有机物(十八烷基三甲基硅氧烷，补充具体物质)，得到SAM-SiO2/Si衬底，通过激光直写和热蒸镀方法，在SAM-SiO2/Si衬底上得到金电极(第一电极和第二电极)，用PDMS(第一衬底)将金电极撕下，得到第一结构
通过机械剥离技术在第二衬底(蓝宝石)上复合BiI3-BiI纳米片(功能层)，得到第二结构；
氮气气氛下，将表面有金属电极的PDMS(第一结构)以1Pa的压力缓慢压到表面有BiI3-BiI纳米片的第二衬底上(电极与功能层复合)，得到所述光探测器；
其中，BiI3-BiI异质结的制备方法如下：
将Bi2O3、I2和Au(作为催化剂)溶解在乙醇和氢碘酸的混合溶液中，得到前驱体溶液，前驱体溶液在1,4-丁内酯中溶剂中以50℃的温度进行第一预处理(处理3次)，然后在水溶液中以相同的温度第二预处理1次，最后在室温下水浴生长14天后，前驱体溶液在没有任何干扰的情况下，可得到尺寸为6mm(最大长度)的BiI3-BiI异质结晶体。
实施例4
本实施例与实施例1的区别为，本实施例提供的光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极和功能层。
制备方法中，通过机械剥离法得到BiI3-BiI纳米片即可。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例5
本实施例与实施例1的区别为，本实施例提供的光探测器包括依次层叠的电极、功能层和第二衬底。
制备方法中，用PDMS(第一衬底)将金电极撕下，得到第一结构后，直接将第一衬底与电极进行剥离即可。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例6
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中，第一衬底的厚度为1100μm。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例7
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中，第一衬底的厚度为90μm。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例8
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中，功能层的厚度为50nm。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例9
本实施例与实施例1的区别为，本实施例中，功能层的厚度为5nm。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例10
本实施例与实施例1的区别为，本实施例的制备方法中，电极与功能层复合过程中的压力为20Pa。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例11
本实施例与实施例1的区别为，本实施例的制备方法中，电极与功能层复合过程中的压力为0.05Pa。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例12
本实施例与实施例1的区别为，本实施例的制备方法中，加压复合过程中的气氛为空气气氛。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例13
本实施例与实施例1的区别为，本实施例制备BiI3-BiI异质结的过程中：
不进行预处理(包括第一预处理和第二预处理)。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例14
本实施例与实施例1的区别为，本实施例制备BiI3-BiI异质结的过程中：
预处理的温度为150℃。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例15
本实施例与实施例1的区别为，本实施例制备BiI3-BiI异质结的过程中：
预处理的温度为30℃。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
对比例1
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中，功能层为BiI3层。
制备方法为
使用购买的BiI3晶体，通过机械剥离技术在第二衬底(二氧化硅)上复合BiI3纳米片(功能层)，得到第二结构。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
对比例2
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中，功能层为PdSe2层。
制备方法为使用购买的PdSe2晶体，通过机械剥离技术在第二衬底(二氧化硅)上复合PdSe2纳米片(功能层)，得到第二结构；。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
对比例3
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中，功能层为PbI2层。
制备方法为使用购买的PbI2晶体，通过机械剥离技术在第二衬底(二氧化硅)上复合PbI2纳米片(功能层)，得到第二结构；。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
对比例4
本对比例与实施例1的区别为，本对比例提供的制备方法中，直接在功能层表面，通过激光直写和热蒸镀方法沉积得到金电极，具体而言，使用标准化的激光直写光刻技术，在结构表面刻写出金电极的图案，在通过显影、热蒸镀、去胶的流程，得到金电极。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
对比例5
本对比例与实施例1的区别为，本对比例中，功能层为BiI3-PdSe2异质结。制备方法为：
使用购买的BiI3晶体，通过机械剥离技术在第二衬底(二氧化硅)上复合BiI3纳米片，再使用购买的PdSe2晶体，通过机械剥离技术在BiI3纳米片上复合PdSe2纳米片，得到BiI3-PdSe2异质结(功能层)作为第二结构。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
图8示出了实施例1提供的光探测器的响应度随波长变化曲线图，从图8可以看出，由于BiI3-BiI异质结构的小带隙性质，本实施例中的光电探测器具有覆盖可见光，NIR-I和NIR-II区域的宽带光响应。在405～1450nm的不同波长范围内，光电流稳定，传输时间快，可见光和近红外区的响应度如图8所示，表明异质结构光电探测器具有优异的宽光谱响应。
图9示出了实施例1提供的光探测器在暗态下的I-V曲线图，从图9可以看出，在5V偏压下，电流约为～5×10-14A。此外，还测量了纯BiI3的偏置电流作为比较，显示出线性的I-V关系，表明在界面处接触良好。在偏压为5V时，该值为～10-11A，与之前的报道接近，进一步表明了器件制造过程中沟道材料与电极之间良好的相互作用。BiI3-BiI中暗电流的显著抑制(在-5V电压下降低20倍以上)源于内部的耗尽状态。
图10示出了实施例1提供的光探测器的噪声电流图，从图10可以看出，通过快速傅里叶变换计算，得到器件的总电流，如图10所示，偏压为0.5V时的总噪声电流约为4.6×10-16A Hz-1。
图11示出了实施例1提供的光探测器的响应速度图，从图11可以看出，采用高频调制光源，得到BiI3-BiI光电探测器的瞬态光电流如图11所示。上升时间和下降时间分别为3.82μs和4.67μs。
将实施例1-15与对比例1-4提供的光探测器进行测试，测试条件为室温环境，测试条件为：638nm激光垂直入射，光斑面积100平方微米，光强1nW，具体测试结果如表1所示。
表1
从实施例1与实施例4的数据结果可知，光探测器中不含有第二衬底，不利于抑制暗电流噪声。
从实施例1与实施例5的数据结果可知，光探测器中不含有第一衬底时，无法起到抑制暗电流噪声和快速响应。
从实施例1与实施例6和7的数据结果可知，第一衬底过厚，会影响响应速度，而过薄，又会导致暗电流上升。
从实施例1与实施例8和9的数据结果可知，功能层过厚，不利于抑制暗电流，过薄，又会影响探测率。
从实施例1与实施例10和11的数据结果可知，加压复合过程中，压力过大，会破坏晶格结构，暗电流变大，过小，又不能得到高比探测率。
从实施例1与实施例12的数据结果可知，加压复合过程中，不在保护性气氛下进行，则会出现氧掺杂，器件响应速度变慢。
从实施例与实施例13的数据结果可知，制备BiI3-BiI异质结时，不进行预处理，直接进行水浴生长，无法得到高比探测率。
从实施例1与实施例14和15的数据结果可知，预处理过程中，温度过高，会影响暗电流，过低，又不利于高品质结晶，探测率下降。
从实施例1与对比例1-3和5的数据结果可知，本发明以特定的BiI3-BiI异质结作为功能层，才能实现低噪声、高灵敏的快速响应，非异质结结构，不能解决高探测率和快速响应，而非BiI3-BiI物质时，同样得不到低暗电流和高探测率的光探测器。
从实施例1与对比例4的数据结果可知，本发明中，如果在功能层表面直接制备电极，则会出现电极和样品杂化的问题，导致暗电流上升，相应速度大幅降低。
应用例1
本应用例提供一种成型装置，具体装置如图12所示；包括光源、位于中间的图像掩模版以及实施例1提供的光探测器。
具体成像过程为：光源保持常亮状态，当图像掩模版在X-Y平面移动时，照射到基于实施例1提供的光探测器上的光可根据图像掩模版上的镂空图案实现开/关状态切换，实时记录各像素点上基于实施例1提供的光探测器的空间分辨光电流，即可实现图像掩模版上镂空图案的成像，具体成像如图13所示，从图13中可以看出，成像图案的尺寸大致为63.5×48.5mm。光电探测器利用X-Y电动平台记录成像图案不同位置的光强信息，获得635×485像素的高空间分辨率图像。由于光电探测器的快速响应，每个像素的积分时间很短，为0.5ms。这些结果表明BiI3-BiI光电探测器在快速和大面积成像应用方面具有足够的潜力。
综上所述，本发明提供的光探测器结构，BiI3-BiI异质结层作为功能层，形成耗尽层，显著降低了光探测器的暗电流，提高了响应速度，性能十分优异，进一步将光探测器用于宽光谱成像装置时，成像效果良好。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种光探测器，其特征在于，所述光探测器包括依次层叠的第一衬底、电极、功能层和第二衬底；
所述功能层包括BiI3-BiI异质结层，所述第一衬底和第二衬底择一存在或同时存在。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述第一衬底的厚度为100～1000μm；
优选地，所述第一衬底的材质包括柔性有机物；
优选地，所述电极包括第一电极和第二电极，且第一电极和第二电极互补接触；
优选地，所述第一电极和第二电极之间的间隔距离为1～100μm。
3.根据权利要求1或2所述的光探测器，其特征在于，所述功能层的厚度≤35nm，优选为10～30nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光探测器，其特征在于，所述第一衬底和第二衬底同时存在。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的光探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在第一衬底表面复合得到电极结构，得到第一结构，将第一结构与第二结构进行加压复合，得到所述光探测器；
其中，第二结构包括依次层叠的功能层和第二衬底；
或，所述第二结构包括功能层；所述功能层包括BiI3-BiI异质结层。
6.根据权利要求5所述的光探测器的制备方法，其特征在于，所述第一结构的制备方法包括：在基础衬底表面制备得到电极，然后通过第一衬底，将电极从基础衬底表面转移至第一衬底表面，得到第一结构；
优选地，在基础衬底表面进行疏水处理后，再制备得到电极；
优选地，所述电极的制备方法包括激光直写法和/或蒸镀法。
7.根据权利要求5或6所述的光探测器的制备方法，其特征在于，所述BiI3-BiI异质结的制备方法包括：
将铋源、碘源、催化剂、还原剂和溶剂混合，得到前驱体溶液，将前驱体溶液在预处理液中进行预处理后，水浴生长，得到所述BiI3-BiI异质结；
优选地，所述催化剂包括金属催化剂；
优选地，所述溶剂包括乙醇；
优选地，所述还原剂包括氢碘酸；
优选地，所述预处理的温度为50～130℃；
优选地，所述预处理的处理液包括1,4-丁内酯和/或水；
优选地，所述预处理包括：先于1,4-丁内酯中进行第一预处理，再于水中进行第二预处理；
优选地，所述第一预处理的次数为2～5次；
优选地，所述水浴生长的时间为5～15天；
优选地，所述BiI3-BiI异质结的最大长度为5mm～1cm；
优选地，所述第二结构包括依次层叠的功能层和第二衬底时，制备方法包括：
通过机械剥离法在第二衬底表面复合功能层。
8.根据权利要求5-7任一项所述的光探测器的制备方法，其特征在于，所述加压复合在保护性气氛下进行；
优选地，所述加压复合的压力为0.1～10Pa。
9.根据权利要求5-8任一项所述的光探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在基础衬底表面进行疏水处理后，在经过疏水处理的衬底表面通过激光直写法和/或蒸镀法制备电极，然后通过第一衬底，将电极从基础衬底表面转移至第一衬底表面，得到第一结构；
通过机械剥离法在第二衬底表面复合功能层，得到第二结构；
将第一结构与第二结构在保护性气氛下以0.1～10Pa的压力进行加压复合，得到所述光探测器；
其中，所述功能层包括BiI3-BiI异质结层；所述BiI3-BiI异质结的制备方法包括：
将铋源、碘源、金属催化剂、乙醇和氢碘酸混合，得到前驱体溶液，将前驱体溶液在1,4-丁内酯溶液中以50～130℃的温度进行第一预处理后，再于水中进行第二预处理，水浴生长5～15天，得到最大长度为5mm～1cm的BiI3-BiI异质结。
10.一种光探测器的用途，其特征在于，所述用途包括将如权利要求1-4任一项所述的光探测器用于半导体器件中。
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