一种光探测与电致发光双功能集成器件的制作方法

本实用新型涉及光探测与电致发光技术领域，尤其涉及一种光探测与电致发光双功能集成器件。

背景技术：

如何制备出效率高、寿命长、安全和性能稳定的发光二极管(LED)越来越成为研究的重点。然而，LED不仅仅具备发光显示功能，它也可能成为光学传感器。早在1970年，ForrestM.Mims(F.M.Mims,Siliconnections:Coming ofage inthe electronic era,McGraw-Hill Companies,1986；F.M.Mims III,L.Circuits,Inc.,NewYork,NY 1973,60.)就系统地介绍过固体发光和探测之间的交互作用。在正向偏压下，电子和空穴注入结区，复合辐射发光；在0V或者负偏压下，内建电场分离光生电子空穴对，实现对光的探测。近年来，这种具备光响应和电致发光双功能性质的能力在交互式通讯系统领域显示了巨大的应用前景。近期，Oh等人(N.Oh,B.H.Kim,S.-Y.Cho,S.Nam,S.P.Rogers,Y.Jiang,J.C.Flanagan,Y.Zhai,J.-H.Kim,J.Lee,Science 2017,355,616.)更是将此双功能特性推向了一个新的高度，他们利用量子点技术，设计了“双异质结”胶体半导体纳米棒，在一个LED器件中实现电致发光和基于光伏响应产生光电流两个功能，让LED器件既能发光又能检测光信号。在他们报道中，重点演示了如何利用这些双功能二极管阵列实现了无接触交互式显示屏到能量收集和清除显示等功能。此外，这些LED器件亦可应用于显示器与显示器之间的大规模并行数据通讯。

尽管此类双功能器件拥有极大的应用前途，但是在理论机制上却是相互矛盾的。基于载流子输运理论，光电响应要求：当光子照射到pn结上，产生的电子-空穴对(当光子能量大于半导体的禁带宽度)在内建电场(或者外加偏压)下实现分离，最终产生光电流；而对LED来说，要求在外加内场下，电子空穴被束缚在半导体中最终实现复合发光。这样对一种材料器件而言，其具备较好的光电响应性能必然削弱其发光性能，因此同时具备高性能的发光与探测器件面临极大的挑战。例如Yasuhiro Shiraki等(X.Xu,T.Chiba,T.Maruizumi,Y.Shiraki,Lasers and Electro-Optics Pacific Rim,2013.)利用Ge量子点作为功能材料，轻松地获得了开关比高达10⁴的光电响应，但是该器件在电致发光方面存在色度不纯等问题。A.J.Heeger等(G.Yu,C.Zhang,A.J.Heeger,AppliedPhysics Letters 1994,64,1540.)使用聚合物(2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexyloxy)-l,4-phenylene vinylene)作为功能材料，同样获得了近104的开关比，但是该器件电致发光的外量子效应只有1％。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于一种光探测与电致发光双功能集成器件，本实用新型提供的光探测与电致发光双功能集成器件能够实现高响应度的紫外探测和超纯的绿光发射。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种光探测与电致发光双功能集成器件，包括底电极、设置在所述底电极上表面的n型半导体层、设置在所述n型半导体层上表面的i型中间层、设置在所述i型中间层上表面的p型半导体层和设置在所述p型半导体层上表面的顶电极，其中，所述n型半导体层由ZnO微米球形成，所述i型中间层由CsPbBr3形成，所述p型半导体层为Mg掺杂的GaN基片。

优选的，所述n型半导体层的厚度为1.9～2.1μm。

优选的，所述i型中间层的厚度为0.9～1.1μm。

本实用新型提供了一种光探测与电致发光双功能集成器件，包括底电极、设置在所述底电极上表面的n型半导体层、设置在所述n型半导体层上表面的i型中间层、设置在所述i型中间层上表面的p型半导体层和设置在所述p型半导体层上表面的顶电极，其中，所述n型半导体层由ZnO微米球形成，所述i型中间层由CsPbBr3形成，所述p型半导体层为Mg掺杂的GaN基片。本实用新型巧妙的利用材料的能级特性以及CsPbBr3(无机钙钛矿)的双载流子输运特性，在无外加偏压时(光探测模式)，将ZnO微米球作为活性层，CsPbBr3和Mg掺杂的GaN基片作为空穴传输层，实现了高响应度的紫外探测；利用CsPbBr3优异的发光特性以及超高的缺陷容忍度，当外部施加正向偏压时(电致发光模式)，将ZnO微米球作为电子注入层，CsPbBr3为活性层，Mg掺杂的GaN作为空穴注入层，实现了超纯的绿光发射。本发明利用发光和探测的活性层分离，首次获得了电致发光区域和光响应波段不同的双功能集成器件，有效的避免了发光和探测性能的相互削减。

进一步的，本实用新型提供的双功能集成器件较单一性能分立器件，减少了制造时间，节省了制造成本，有效的提高了集成度，具有巨大的应用潜力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的双功能集成器件的结构示意图，图中①为底电极、②为n型半导体层、③为i型中间层、④为p型半导体层和⑤为顶电极。

具体实施方式

本实用新型提供了一种光探测与电致发光双功能集成器件，如图1所示，包括底电极①、设置在所述底电极上表面的n型半导体层②、设置在所述n型半导体层上表面的i型中间层③、设置在所述i型中间层上表面的p型半导体层④和设置在所述p型半导体层上表面的顶电极⑤，其中，所述n型半导体层由ZnO微米球形成，所述i型中间层由CsPbBr3形成，所述p型半导体层为Mg掺杂的GaN基片。本发明巧妙的利用材料的能级特性以及CsPbBr3(无机钙钛矿)的双载流子输运特性，在无外加偏压时，将ZnO微米球作为活性层，CsPbBr3和Mg掺杂的GaN基片作为空穴传输层，实现了高响应度的紫外探测；利用CsPbBr3优异的发光特性以及超高的缺陷容忍度，当外部施加正向偏压时，将ZnO微米球作为电子传输层，CsPbBr3为活性层，Mg掺杂的GaN作为空穴传输层，实现了超纯的绿光发射。

本实用新型提供的双功能集成器件包括底电极。本实用新型对于所述底电极没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的底电极即可；在本实用新型的实施例中，具体采用厚度为380nm的FTO导电玻璃作为底电极。

本实用新型提供的双功能集成器件包括设置在底电极上表面的n型半导体层，所述n型半导体层由ZnO微米球形成。在本实用新型中，所述n型半导体层的厚度为1.9～2.1μm，还可以为2μm。在本实用新型中，在所述底电极的上表面制备ZnO微米球的过程中，在所述底电极的上表面会先生成一层ZnO纳米墙，然后在所述ZnO纳米墙上生成ZnO微米球。在本实用新型的实施例中，所述ZnO纳米墙的厚度为400～600nm，还可以为500nm；所述ZnO微米球的粒径为1.4～1.6μm，还可以为1.5μm。

本实用新型提供的双功能集成器件包括设置在所述n型半导体层上表面的i型中间层，所述i型中间层由CsPbBr3(全无机钙钛矿)形成。在本实用新型中，所述i型中间层的厚度为0.9～1.1μm，还可以为1μm。在本实用新型中，所述CsPbBr3作为i型中间层，是载流子的复合发光中心。

本实用新型提供的双功能集成器件包括设置在所述i型中间层上表面的p型半导体层，所述p型半导体层为Mg掺杂的GaN基片。在本实用新型的实施例中，所述Mg掺杂的GaN基片包括衬底和在所述衬底上的外延层，所述外延层由Mg掺杂GaN形成；所述外延层的厚度为3.9～4.1μm，还可以为4μm。在本实用新型的实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底。在本实用新型的实施例中，所述双功能集成器件中i型中间层的上表面是与Mg掺杂的GaN基片的外延层相接。

本实用新型提供的双功能集成器件包括设置在所述p型半导体层上表面的顶电极。本实用新型对于所述顶电极没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的顶电极即可；在本实用新型的实施例中，具体采用铟顶电极。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。