一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，包括钙钛矿光子吸收体、第一掺杂金属层、第二掺杂金属层、第一电极层和第二电极层；所述钙钛矿光子吸收体两侧分别沉积第一掺杂金属层和第二掺杂金属层，所述第一掺杂金属层用于获得n型掺杂，第二掺杂金属层用于获得p型掺杂；第一掺杂金属层和第二掺杂金属层的金属离子渗透到钙钛矿光子吸收体，形成钙钛矿n型层和钙钛矿p型层；所述第一掺杂金属层和第二掺杂金属层两侧分别沉积第一电极层和第二电极层，从而构成钙钛矿同质结光电二极管。本发明专利技术提出的钙钛矿同质结的结区界面晶格匹配，界面缺陷少，可以提高光电二极管的探测量子效率，并且降低缺陷引起的散粒噪声。并且降低缺陷引起的散粒噪声。并且降低缺陷引起的散粒噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管


[0001]本专利技术涉及光电探测领域，尤其针对红外/可见光/紫外光谱区域的探测技术。

技术介绍

[0002]光电探测是信息处理的一个重要环节，它利用光电效应将入射光的信息转换为电信号。钙钛矿材料具有非常优秀的光电转换能力，以及载流子输运能力，所以它在光伏器件和光电探测器件具有非常重要的应用。光电导型传感器虽然具有较高的响应度，但是它的暗电流和噪声都比较大。因此，人们一般采用pn结或者pin结构成光电二极管，利用光电二极管提高光电探测的比探测率。
[0003]在无机半导体光电二极管制备中，人们通常采用离子注入或者高温气相扩散等方法制备pn或者pin结。但是因为钙钛矿的耐受温度有限，所以离子注入以及高温气相扩散容易造成钙钛矿晶体的损伤。针对这些问题，人们采用旋涂或者蒸镀等方法在钙钛矿晶体两端沉积有机层或者无机层作为载流子阻挡层，构成钙钛矿异质pn结或者pin结。这种钙钛矿异质结的结区界面晶格不匹配，所以在界面上存在很多的缺陷。这些缺陷会引起光生载流子在界面的复合，从而降低光电探测的量子效率。另外，这些界面缺陷还可能作为陷阱中心，俘获一些光生载流子。这些光生载流子还会产生再释放，形成附加噪声，降低光电二极管的比探测率。
[0004]还有一些研究组提出采用溶液外延和溶液掺杂的方法制备钙钛矿同质或者异质结。溶液外延掺杂方法制备的钙钛矿结可以获得晶格匹配的界面，但是溶液法外延生长的结层厚度都在几个微米以上，而且很难精准调控。对于红外/可见光/紫外区域的光探测，光子的吸收深度通常在数百纳米。如果钙钛矿pn结或者pin结的耗尽层太厚，光生载流子漂移长度小于结层厚度，大量的光生载流子将在结区复合，从而降低探测量子效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有的钙钛矿光电二极管存在的缺点与不足，旨在提供一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管结构。
[0006]本专利技术采用的技术方案：一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，包括钙钛矿光子吸收体、第一掺杂金属层、第二掺杂金属层、第一电极层和第二电极层；
[0007]所述钙钛矿光子吸收体两侧分别沉积第一掺杂金属层和第二掺杂金属层，所述第一掺杂金属层用于获得n型掺杂，第二掺杂金属层用于获得p型掺杂；第一掺杂金属层和第二掺杂金属层的金属离子渗透到钙钛矿光子吸收体，形成钙钛矿n型层和钙钛矿p型层；
[0008]所述第一掺杂金属层和第二掺杂金属层两侧分别沉积第一电极层和第二电极层，用于施加探测器的偏置电压和收集光电流，从而构成钙钛矿同质结光电二极管。
[0009]作为优选，所述钙钛矿光子吸收体的光学带隙在0.8eV～4.2eV之间。
[0010]作为优选，在本专利技术所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管中，钙钛矿光子吸收体可以是本征钙钛矿材料，如MAPbBr
2.5
Cl
0.5
等，并由此构建钙钛矿同质pin结；也可以是p
型钙钛矿，如MAPbBr3等，或者是n型钙钛矿，如MAPbCl3等，并由此构建钙钛矿同质pn结。
[0011]作为优选，所述钙钛矿光子吸收体为钙钛矿薄膜或者钙钛矿单晶。
[0012]作为优选，所述的钙钛矿光子吸收体可以是钙钛矿薄膜，它可以在衬底上通过一步法或者多步法制备而成；也可以不需要衬底，通过溶液逆温法或者反溶剂法等生长钙钛矿单晶，并通过机械切割获得需要的尺寸。
[0013]作为优选，为了实现n型掺杂，第一掺杂金属层沉积Bi、Mn、Cu、Sb、Mg金属作为掺杂层，钙钛矿光子吸收体掺杂Bi
3+
、Mn
2+
、Cu
2+
、Sb
3+
、Mg
2+
金属离子，形成钙钛矿n型层；为了实现p型掺杂，第二掺杂金属层沉积Ag、Cs、Li、In、Ba金属作为掺杂层，钙钛矿光子吸收体掺杂Ag
+
、Cs
+
、Li
+
、In
3+
、Ba
2+
金属离子，形成钙钛矿p型层。
[0014]作为优选，在本专利技术所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管中，通过加热的方法使得掺杂金属层的金属离子能够向钙钛矿光子吸收体扩散，并且利用电场诱导的方法加速金属离子的扩散进程。这些金属离子替换钙钛矿光子吸收体的卤素离子，形成掺杂。
[0015]作为优选，在本专利技术所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管中，掺杂金属层经过固相离子扩散后，其薄膜均匀性和导电性等都会出现性能降低，所以我们在掺杂金属层外侧再沉积电极层。通过调控电极层的金属功函数，使之与钙钛矿光子吸收体之间构成欧姆电学接触，保证载流子的良好输运性能。
[0016]本专利技术提出的固相掺杂钙钛矿光电二极管首先利用常规的方法制备出钙钛矿薄膜或者钙钛矿晶体，将其作为光子吸收体；然后，在钙钛矿光子吸收体的两端分别沉积金属掺杂层，并通过加热和电场诱导等方法，诱导金属掺杂层的金属离子向钙钛矿光子吸收体迁移，获得金属离子对钙钛矿光子吸收体的掺杂。由于钙钛矿光子吸收体被金属离子掺杂后可以实现n型或者p型的改性，所以本专利技术通过固相掺杂获得钙钛矿同质pn或者pin结，最后在钙钛矿同质结两端沉积收集电极，形成钙钛矿光电二极管。
[0017]从上述技术方案可以看出，本专利技术的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，具有以下有益效果：
[0018](1)本专利技术提出的固相掺杂的钙钛矿光电二极管，它所构成的是钙钛矿同质结，所以结区界面晶格匹配，界面缺陷密度低，有助于提高探测量子效率，同时降低噪声和暗电流。
[0019](2)本专利技术提出的固相掺杂的钙钛矿光电二极管，金属离子通过固相扩散进钙钛矿光子吸收体，扩散过程比较容易控制。掺杂深度可以控制在数十纳米至数百纳米，与红外/可见光/紫外光子的吸收深度相近，因此很适合于红外/可见光/紫外光探测。
[0020](3)本专利技术提出的固相掺杂的钙钛矿光电二极管制备过程简单，仅通过旋涂、喷墨打印、溅射和蒸发镀膜等工艺就可以完成整个探测器制备，制备成本低廉。
附图说明
[0021]图1为本专利技术一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管的结构示意图；
[0022]图2为本专利技术提出的固相掺杂钙钛矿pin同质结薄膜光电二极管；
[0023]图3为本专利技术提出的固相掺杂钙钛矿单晶同质结光电二极管；
[0024]图4为本专利技术提出的一种固相掺杂钙钛矿pn同质结薄膜光电二极管；
[0025]图5为本专利技术提出的另外一种固相掺杂钙钛矿pn同质结薄膜光电二极管；
[0026]图6为EDX表征的本专利技术提出Ag
+
固相掺杂钙钛矿MAPbBr3的一种典型金属离子扩散曲线；
[0027]图中：1—透明基板；2—第二电极层；3—第二掺杂金属层；4—钙钛矿p型层；5—本征钙钛矿光子吸收体；6—钙钛矿n型层；7—第一掺杂金属层；8—第一电极层；9—p型钙钛矿光子吸收体；10—n型钙钛矿光子吸收体。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，其特征在于：包括钙钛矿光子吸收体、第一掺杂金属层、第二掺杂金属层、第一电极层和第二电极层；所述钙钛矿光子吸收体两侧分别沉积第一掺杂金属层和第二掺杂金属层，所述第一掺杂金属层用于获得n型掺杂，第二掺杂金属层用于获得p型掺杂；第一掺杂金属层和第二掺杂金属层的金属离子渗透到钙钛矿光子吸收体，形成钙钛矿n型层和钙钛矿p型层；所述第一掺杂金属层和第二掺杂金属层两侧分别沉积第一电极层和第二电极层，用于施加探测器的偏置电压和收集光电流，从而构成钙钛矿同质结光电二极管。2.根据权利要求1所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，其特征在于：所述钙钛矿光子吸收体的光学带隙在0.8eV～4.2eV之间。3.根据权利要求1所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，其特征在于：所述钙钛矿光子吸收体是本征钙钛矿材料，并由此构建钙钛矿同质pin结；或者是p型钙钛矿；或者是n型钙钛矿，并由此构建钙钛矿同质pn结。4.根据权利要求3所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，其特征在于：所述本征钙钛矿材料为典型本征钙钛矿材料，选取MAPbBr
2.5
Cl
0.5
，所述p型钙钛矿为典型p型钙钛矿，选取MAPbBr3，所述n型钙钛矿为典型n型钙钛矿，选取MAPbCl3。5.根据权利要求1所述的一种固相掺杂的钙钛矿光电二极管，其特征在于：所述钙钛矿光子吸收体为钙钛矿薄膜或者钙钛矿单晶。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷威，赵志伟，周建明，
申请(专利权)人：苏州奕赫光电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：