一种基于钙钛矿n-i-n结的窄带光探测器结构及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于钙钛矿n

【技术实现步骤摘要】
一种基于钙钛矿n
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n结的窄带光探测器结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及光电探测领域，尤其涉及一种基于钙钛矿n
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n结的窄带光探测器结构及制备方法。
[0002]
技术介绍

[0003]窄带光探测是指光电探测器仅对光谱带宽很窄的入射光产生探测电信号，它在生物传感、成像、国家安全以及救援等领域有广泛的应用，人们通常利用半导体材料的光电效应将入射光信号转换为电流或者电压信号进行探测，当入射光的光子能量大于半导体的能量带隙时，入射光子可以被半导体活性材料所吸收，并产生电子/空穴对，进而形成探测电信号，当入射光光子能量小于半导体活性材料带隙时，入射光子穿过半导体层，不产生电信号，因此，通常的半导体光电探测器件具有光子频率低通的性能，探测信号的光谱响应范围很宽。
[0004]为了获得窄带光探测性能，人们提出在常规的宽谱探测器上加装带通滤光片，图1
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3是一种典型的窄带探测器结构，该结构采用红、绿、蓝三色滤光片配以宽谱光探测器，分别形成红光探测器、绿光探测器和蓝光探测器，入射光照射到探测器上，长波、中波和短波入射光分量分别在红光探测器、绿光探测器和蓝光探测器产生响应的探测信号，这三种探测器的典型探测信号光谱响应曲线如图2所示，图3则是一种典型的宽谱探测器结构，从下至上分别为玻璃衬底、ITO电极、PEDOT:PSS（100nm）、P6T（100nm）、BP3T（16nm）、CuPc（25nm）、C
60/>（35nm）、BCP（6nm）、Al（150nm）。
[0005] 除了采用滤光片和宽谱探测器相结合获得窄带光探测性能外，人们还采用谐振腔、表面等离子体激元等结构形成具有一定光谱带宽的光子吸收，图5是一种谐振腔窄带光探测结构（CN 111584671 A），该金属微腔红外探测器像元结构包括探测器台面、绝缘介质和金属薄膜，光子吸收层采用窄带隙半导体材料，如GaAs和Al
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Ga1‑
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As量子阱材料等，通过对探测器结构进行设计，支持10.6μm处的腔模共振，设计后获得的台面宽度21μm，台面高度3.1μm，台面上共6个光栅槽，宽度w＝1μm，深度0.4μm，两个槽的距离p＝3.5μm。
[0006]图5则是人们提出的一种利用表面等离子体效应实现窄带光探测的结构，在该结构中，硅衬底被用作光子吸收体，在硅衬底上制备周期性金属薄膜结构，这种周期性的金属薄膜构成光栅结构，入射光与光栅强烈耦合，形成等离子体激元传输，在设计频率产生强烈的共振吸收，从而获得窄带光探测性能。
[0007]但是上述探测结构都存在一些局限性，首先，滤光片的成本比较高，而且可能还需要较为复杂的光学系统，另外，现有的商用滤光片由于自身局限，其性能往往达不到设计要求，例如其光谱半峰宽(FWHM)通常在40~84nm，如果采用窄带隙宽谱探测器，如InGaAs探测器，往往还需要制冷环境，表面等离子增强吸收对选择波长范围很有限。
[0008]由于钙钛矿材料具有优秀的光子吸收和转换性能，人们将钙钛矿薄膜或者晶体引入光探测器，并作为光子吸收和转换材料，在此基础上，人们还提出采用载流子收集窄化
（CCN）的方法实现窄带光探测，如图6
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8所示，图6为能量大于吸收体带隙的高能光子入射后载流子产生和输运过程，由于光子能量大于半导体带隙，所以活性材料对光子的吸收系数很大，绝大部分光子在靠近入射端口处被吸收并产生光生电子/空穴对，通常探测器的表面缺陷密度较大，所以向入射端口漂移和扩散的光生载流子被表面陷阱俘获并产生表面复合，不能形成探测电流信号，光生电子向出射端的漂移长度很长，远大于mtE，其中m是载流子迁移率，t是载流子寿命，E为电场强度，因此光生载流子在向出射端输运过程中也会被复合，从而不能形成探测电流信号。
[0009]如图7所示，当能量小于吸收体带隙的低能光子入射后，吸收体对光子的吸收系数比较小，所以光子的入射深度较深，这样光生载流子向出射端面输运的距离大大地降低，从而减小了载流子输运过程中产生的复合，光生载流子可以被电极有效地收集，并形成探测电流，图8是探测信号外量子效率的光谱响应曲线，从该曲线中可以看出，当偏置电压为0V时，探测谱线的半峰宽仅为40nm左右，探测的峰值波长为570nm，虽然探测谱线半峰宽较窄，但是因为峰值波长光子能量略低于吸收体带隙，所以探测的外量子效率很低（<0.1%），如果增大偏置电压，峰值外量子效率可以提高到1%以上，但是短波光子一侧的探测信号也明显增强，光谱抑制比降较大程度地下降。
[0010]本专利技术针对载流子收集窄化光探测存在的上述问题，提出利用钙钛矿晶体n
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n异质结构，将高能光子、中能光子和低能光子的吸收和转换区域空间分离，并利用界面势垒和电场强度分布，调控光生载流子的输运和复合，最终获得高效率的窄带探测性能，并维持较高的光谱抑制比。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种基于钙钛矿n
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n结的窄带光探测器结构及制备方法，以解决上述技术问题。
[0012]本专利技术为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：一种基于钙钛矿n
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n结的窄带光探测器结构，包括本征钙钛矿晶体作为γ光子吸收层，以及在其两侧生长的n型外延层；所述本征钙钛矿晶体为探测光谱段光子的吸收层，吸收层的能量带隙Eg2=hc/λ
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，h是普朗克常数，其中c是光传播速度，λ
max
是设计探测光谱的峰值响应波长；所述钙钛矿本征吸收层左端设有能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层，能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层左端设有入射端电极，所述能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层用于形成耗尽层抑制暗态空穴注入，且能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层的抑制波长小于λ
max
的光子产生的探测信号，能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层的能量带隙Eg1= hc/(λ
max
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FWHM/2)，其中FWHM为设计探测光谱的半峰宽；所述钙钛矿本征吸收层右端设置能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层，能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层左端设置有出射端电极，所述能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层用于形成耗尽层抑制暗态电子注入，且能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层的抑制波长大于λ
max
的光子产生的探测信号，能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层的能量带隙Eg3= hc/(λ
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+FWHM/2)；所述能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层、钙钛矿本征吸收层以及能量带隙较
小的n型钙钛矿晶体外延层形成钙钛矿n
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n结构；所述钙钛矿n
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n结构通过电子和空穴的扩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于钙钛矿n
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n结的窄带光探测器结构，其特征在于：包括本征钙钛矿晶体作为g光子吸收层，以及在其两侧生长的n型外延层；所述本征钙钛矿晶体为探测光谱段光子的吸收层，吸收层的能量带隙Eg2=hc/λ
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，h是普朗克常数，其中c是光传播速度，λ
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是设计探测光谱的峰值响应波长；所述钙钛矿本征吸收层左端设有能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层，能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层左端设有入射端电极，所述能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层用于形成耗尽层抑制暗态空穴注入，且能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层的抑制波长小于λ
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的光子产生的探测信号，能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层的能量带隙Eg1= hc/(λ
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FWHM/2)，其中FWHM为设计探测光谱的半峰宽；所述钙钛矿本征吸收层右端设置能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层，能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层左端设置有出射端电极，所述能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层用于形成耗尽层抑制暗态电子注入，且能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层的抑制波长大于λ
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的光子产生的探测信号，能量带隙较小的n型钙钛矿晶体外延层的能量带隙Eg3= hc/(λ
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+FWHM/2)；所述能量带隙较大的n型钙钛矿晶体外延层、钙钛矿本征吸收层以及能量带隙较小的n型钙钛矿...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷威，周建明，朱莹，
申请(专利权)人：苏州亿现电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：