[发明专利]一种梯度掺杂的宽光谱自供能光电探测器

说明书

本发明公开了一种梯度掺杂的宽光谱自供能光电探测器，包括梯度掺杂n型半导体薄膜、p‑Si衬底、电极；所述梯度掺杂n型半导体薄膜为元素A的掺杂比例沿厚度方向逐渐变化的ZnO薄膜，其中A为Mn或Mg，0x0.2。所述梯度掺杂可获得便于载流子输运的能带梯子和增强光生载流子有效输运的梯度场，与杂质均匀(或本征)的半导体光电探测器相比，梯度掺杂可大幅提升光电探测器的光响应度和探测率。本发明实现了300～1700nm宽光谱自供能光电探测器，广泛应用于图像传感、环境监测、遥控探测等军事和民用领域。

技术领域

本发明属于光电成像探测技术领域，涉及一种宽光谱自供能光电探测器，具体涉及一种梯度掺杂的宽光谱自供能光电探测器。

背景技术

作为科技信息化的核心元件，光电探测器在现代化的生活和生产中具有重要的应用。随技术的飞速发展,人们对探测器的要求日益提高，单一波段光电探测器的固有缺陷和局限性愈发明显，光电探测器在复杂环境和强干扰条件下的精确探测并获得有效信息成为科学家追求的目标。开发高探测率、快速响应、超宽光谱、节约能耗的自供能光电探测器成为光电探测技术发展的主流方向。宽光谱自供能光电探测器广泛应用于图像传感、环境监测、导弹制导、生物医学、遥控探测等军事和民用领域。

目前商用宽光谱自供能光电探测器主要以传统无机半导体材料为主，如Ge、锆钛酸铅等，因价格高昂、体积庞大而难以与现代电子设备良好耦合，同时存在对红外波段探测灵敏度差和响应度低的问题，限制其用于深海或太空探测。研究者基于p-n结或肖特基结的内建电场实现了不同的自供能光电探测器；并通过表面修饰、压电电势等途径增大结区的电场来使光生载流子有效分离。在p-n结中，掺杂梯度将诱导感生电场，合适的感生电场将提升光生载流子分离和输运效率，同时抑制载流子回流再复合，从而将提升光电探测器的探测灵敏度，在宽光谱中获得高探测率。

发明内容

本发明的目的是通过梯度掺杂，实现p-Si/n-ZnO异质结在紫外-可见-近红外波段的高探测率、高响应度的宽光谱自供能光电探测器，本发明提供了一种在300nm～1700nm处有显著响应的梯度掺杂的宽光谱自供能光电探测器。本发明与传统均匀掺杂或本征的宽光谱自供能光电探测器相比，大幅提高了瞬态光电流响应的响应度和探测率，显著拓宽了探测波段。

本发明公开了一种梯度掺杂的宽光谱自供能光电探测器，其特征在于：该光电探测器包括梯度掺杂n型半导体薄膜、p-Si衬底、电极；所述p-Si与梯度掺杂n型半导体薄膜组成p-n结，在p-n结两端沉积薄膜电极；所述梯度掺杂方式为掺杂浓度沿远离p-n结界面的薄膜厚度方向增大或减小，以获得便于载流子输运的能带梯子和增强光生载流子有效输运的梯度场，从而实现对300～1700nm光波的自供能光电探测。所述梯度掺杂n型半导体薄膜可以为梯度掺杂ZnO薄膜；所述梯度掺杂ZnO薄膜化学式为Zn_1-xA_xO，其中A可以为Mn、Mg、Ca、Sr或Pb，掺杂浓度沿远离p-n结界面的薄膜厚度方向在0x0.2范围内增大或减小，以便在梯度掺杂的ZnO薄膜内获得与p-n结内建电场同向的梯度场，实现梯度掺杂的n型半导体薄膜。

相比于现有的宽光谱自供能光电探测器，本发明具有如下优点：

1.本发明利用梯度掺杂获得梯度场，在构建的异质结光电探测器中，具备以下优点：(1)p-Si/n-ZnO的巨大禁带宽度差异，基于p-n结内建电场可实现从紫外(～365nm)到近红外(～1100nm)的良好探测；(2)梯度掺杂的ZnO薄膜中由掺杂梯度诱导的感生电场和内建电场同向，大幅度提高光生载流子的输运效率，并抑制载流子回流发生再复合，有利于提升光电探测器在小功率信号下的探测率和光响应度。