一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器制造技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

A local field enhanced photodetector with wide spectrum and high responsivity

The invention discloses a local field enhanced wide spectrum high response photoelectric detector, which relates to the field of photoelectric detectors, including a silicon substrate, an IC circuit, and a detector unit array arranged from bottom to top, comprising a field effect set from bottom to top for changing the detection range and providing a conductive channel. A tube unit and an enhancement absorption unit for separating photogenerated electron holes after forming a donor/acceptor local electric field are provided. The detector unit array is used for realizing wide spectrum and high response detection signal current by forward injection in short wave band and backward injection in long wave band; the invention solves the problem that the material of the existing photoelectric detector absorbs light by increasing. Strong material limitation and energy level immobilization after material contacts with graphene can only realize forward or reverse injection, which leads to narrow detection spectrum and low response, thus achieving a wide spectrum and high response detection effect of visible and near infrared.

【技术实现步骤摘要】
一种局域场增强型宽光谱高响应的光电探测器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本专利技术器件的整体示意图；图2是本专利技术器件的平面示意图；图3是本专利技术光响应载流子注入传输示意图；图4是本专利技术光响应载流子反向注入传输示意图；图5是本专利技术可见光的负响应图示；图6是本专利技术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对本专利技术作详细说明。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，韩嘉悦，刘鹏，田夫兰，杨明，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51