[发明专利]一种零功率消耗的真空紫外光伏探测器

说明书

本发明公开了石墨烯（Graphene）在真空紫外光伏探测器中的应用以及一种零功率消耗的真空紫外光伏探测器。本发明首次发现石墨烯对真空紫外光的透过率大于90%，并首次在高结晶质量的AlN材料上组装上了p‑type掺杂的Graphene作为透明电极收集空穴，AlN作为吸光层产生光生载流子，构建了一个具有PN特性的异质结光伏器件。该器件实现了人们期望已久的零功率消耗真空紫外光伏探测器的制备，该器件还表现出优秀的真空紫外响应特性，光电转换外量子效率比传统器件高13.7倍，具有80 ns的超快响应时间（比现有光电导型真空紫外器件快10⁴～10⁶倍）和高的外量子效率，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于真空紫外光（VUV）探测技术领域。更具体地，涉及石墨烯在真空紫外光伏探测器中的应用以及一种零功率消耗的真空紫外光伏探测器。

背景技术

VUV (10-200 nm)探测技术主要应用于宇宙化学和太空科学领域，例如用于研究星云的元素组成和扩张，监测太阳风暴的形成和演变等[D. N. Baker等. Science 2002.,D. N. Baker等. Nature 2004., M. A. Guerrero等. Astronomy & Astrophysics 2013.]。目前，卫星或宇宙探测器主要使用紫罗兰色谱仪和微通道板的组合系统来进行VUV的探测[O. Venot等. Astronomy & Astrophysics 2013., H. W. Moos等. The Astrophysical Journal 2000.]。然而这些传统探测系统具有体积笨重、功耗高（数千伏的驱动电压）等缺点，这些缺点给卫星的运行带来的过高的供电负担，同时也提高了卫星的反射成本。材料和器件科学家们一直在努力为宇宙学家们寻找新的方案，尝试发展基于宽禁带半导体材料（例如主流的AlN）的低功耗、轻便、小型的VUV探测器[W. Zheng等. Adv.Mater. 2015., J. Li等. Appl. Phys. Lett. 2006.]。

目前报道的半导体基VUV 探测器，都是光电导型探测器，在灵敏度和响应速度上都离真实应用有较大差距。事实上，面对真实的应用需求，相比于光电导型 VUV 探测器，研究者更期望实现光伏型 VUV 探测器，因为它能实现零功率消耗且自己产生正比于光照强度的电荷信号。然而，当前的技术条件下，制备 AlN 基光伏探测器面临一个关键的技术瓶颈，无法获得对 VUV 具有透过特性的透明电极。

在过去二十年中，宇宙学家和材料科学家一直在研究开发具有低功耗和小尺寸的新一代基于半导体的VUV探测器，替代传统沉重且具有高能耗的微通道探测系统，以降低卫星的电力负荷和发射卫星的成本。然而，能实现零功率消耗的光伏型VUV半导体基探测器，作为一个最被希望实现的目标，始终没有得到实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有光伏型VUV半导体基探测器的缺陷和不足，以及为了满足当前宇宙探索对零功率消耗的光伏型VUV探测器的迫切需求，本发明首次公开了在真空紫外光伏探测器中的应用。本发明的研究结果出乎意料的发现，石墨烯（Graphene，Gr）对VUV的透过率大于90%，本发明将p-type的Graphene作为透明电极收集空穴，AlN作为吸光层产生光生载流子，构建了一个具有PN特性的异质结器件。该器件实现了人们期望已久的零功率消耗VUV光伏探测器的制备，该器件还表现出优秀的VUV响应特性，具有很好的应用前景。

本发明的目的是提供石墨烯在真空紫外光伏探测器中的应用。

本发明另一目的是提供一种p-Gr/AlN/p-GaN的背靠背光伏探测器件。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：