GeSn/钙钛矿异质结宽光谱探测器及其制作方法

gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及光电子材料与器件领域，特别涉及一种gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器及其制作方法。


背景技术：

2.宽光谱探测器能够探测多个波段的光信号，通常覆盖范围包括紫外波段、可见光波段、红外波段。宽光谱探测器能获得多个波段波长的信息，在遥感、光通信、成像、气体检测、夜视、生物医学等领域有着重要应用。
3.通常基于单一组分的半导体材料制成的探测器，如ge、ingaas、hgcdte等探测器在红外波段有着良好性能，但是由于可见光在这些材料中的穿透深度很小，光生载流子的收集效率很低，所以这些探测器在可见光波段光响应很差。且后两种材料与cmos工艺不兼容，难以大批量生产，造价昂贵，会增大生产成本。
4.钙钛矿对紫外至可见光有着较强的吸收，在太阳能电池和光电探测器等领域有着重要应用，但是受到钙钛矿的带隙的限制，钙钛矿的截止波长很难拓展到红外范围。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
6.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器，包括：衬底；gesn层，形成于所述衬底的一表面；钙钛矿层，形成于所述gesn上；下电极，形成于所述衬底的另一表面；上电极，形成于所述钙钛矿层上。
7.作为本发明的另一方面，提供了一种如上所述的gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器制作方法，包括如下步骤：在衬底的一表面形成gesn层；在所述gesn层上形成钙钛矿层；在所述衬底的另一表面形成下电极；在所述钙钛矿层上形成上电极。
8.从上述技术方案可以看出，本发明的gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器及其制作方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
9.(1)本发明提供的这种宽光谱探测器相较于单一种半导体材料制作成的仅能覆盖单一波段的探测器，在gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器中，同时引入gesn层和钙钛矿层，其吸收光谱能覆盖从紫外到红外。
10.(2)本发明提供的这种宽光谱探测器制作简单，并且ge与cmos工艺兼容可大批量生产，降低成本。
附图说明
11.图1是gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器的结构示意图。
12.图2是实施例1中ge衬底上外延的ge
0.93
sn
0.07
样品的(004)面2θ
‑
ω的xrd扫描曲线。
13.图3是实施例1基于ge
0.93
sn
0.07
/钙钛矿异质结宽光谱探测器对360nm、1550nm、
2200nm光波的响应度曲线。
具体实施方式
14.ge是一种硅基iv族半导体材料，具有金刚石结构，是一种间接带隙材料，导带最低点在l点，带隙为0.66ev。其γ能谷价带顶与导带底能量差为0.8ev，ge的吸收系数在波长大于1550nm时急剧下降。d
‑
sn是一种半金属，具有金刚石结构，其带隙为0。在ge中引入sn，形成gesn合金，会使ge的带隙减小，并且其带隙可以随着sn组分的改变而改变。gesn合金能在0
‑
0.8ev范围内连续调节带隙，可以有效拓展吸收波长范围至短波红外及中红外。而钙钛矿对紫外至可见光有着较强的吸收，由此，由gesn和钙钛矿组成的gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器结构能够探测紫外至红外的宽光谱。
15.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
16.根据本发明的实施例，提供了一种gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器，如图1所示，其包括：衬底；gesn层，形成于所述衬底的一表面；钙钛矿层，形成于所述gesn上；下电极，形成于所述衬底的另一表面；上电极，形成于所述钙钛矿层上。
17.其中，将gesn合金和钙钛矿材料结合，通过进一步提高gesn合金中的sn组分，其吸收波长可以覆盖从紫外到中红外这一范围。并且，用这种方法制备出的宽光谱探测器，成本低廉、可大批量生产，在遥感、光通信、成像、气体检测、夜视、生物医学等领域有着重要应用前景。
18.在本发明的实施例中，上电极为透明电极或半透明电极，举例而言，上电极为au，但并不局限于此，还可以是其他透明导电材料，如ito等，但采用热蒸发或电子束蒸发制备au电极相较于需要磁控溅射制备的ito电极对钙钛矿材料损伤小。上电极的厚度优选为1
‑
1000nm。
19.在本发明的实施例中，下电极为金属电极，下电极优选为ni、al、ti、au、cr中的一种或多种的组合。举例而言，下电极可以是ni/a1/ti/au、ni/al、ti/au、cr/au；每种金属厚度优选均为1nm
‑
1μm。au作为电极性质稳定，但与ge粘附性一般。为了增加au与ge之间的粘附性，通常在au与ge之间预先沉积一层ni、ti或cr。
20.在本发明的实施例中，衬底为n型或p型ge，但并不局限于此，还可以是其他材料如si衬底上外延的ge虚衬底等，ge虚衬底的厚度在50nm
‑
100μm之间，si衬底导电类型为n型或p型。ge衬底的晶向为(100)，但并不局限于此，还可以是(110)、(111)，由此满足其上能够外延制备gesn层。
21.在本发明的实施例中，衬底的厚度为100
‑
1000μm，但并不以此为限。
22.在本发明的实施例中，钙钛矿为cspbbr3，但并不绝限于此，可以是其他钙钛矿材料，例如mapbi3，fapbi3等。cspbbr3的厚度为100nm，但并不局限于此，可以在1nm
‑
10μm之间任一厚度。
23.在本发明的实施例中，gesn层中sn摩尔组分是0％到25％，且不为0，一般来讲，gesn中sn组分越高，材料质量越差，所以更优选地，gesn中sn组分是5％
‑
15％，在保证gesn材料质量较高的同时能有效拓展吸收波长范围。调节sn组分含量能对吸收光谱范围进行很好的调控。
24.在本发明的实施例中，gesn层的制备方法是分子束外延、磁控溅射或化学气相沉积方法；gesn层的厚度优选为0nm
‑
10μm，且不为0，更优选地，gesn层的厚度为50nm
‑
500nm。
25.在本发明的实施例中，gesn层可以用sigesn/gesn、ge/gesn或sige/gesn单量子阱或多量子阱材料代替。
26.在下电极处施加一个正的电势，在上电极施加一个负的电势，会在gesn、ge和钙钛矿材料中引入电场。在探测器上方入射的紫外到红外的光，会被钙钛矿、gesn和ge吸收。光生载流子在电场的作用下到达金属电极被收集，产生光电流，进而实现光的探测。
27.根据本发明的实施例，本发明还提供了一种上述gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器，具体包含如下步骤：
28.在衬底的一表面形成gesn层；
29.在所述gesn层上形成钙钛矿层；
30.在所述衬底的另一表面形成下电极；
31.在所述钙钛矿层上形成上电极。
32.以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
33.实施例1
34.以下结合图1，以cspbbr3钙钛矿材料和ge
0.93
sn
0.07
合金为例说明制作该gesn/钙钛矿异质结宽光谱探测器的方法，包括以下步骤：
35.步骤1：取4英寸免洗(epi
‑
ready)ge(100)衬底，该衬底为n型掺杂，掺杂元素为as，电阻率0.018
‑
0.0254ω
·
cm，衬底厚度380μm。
36.步骤2：利用分子束外延的方法在步骤1所述ge衬底上外延200nm的ge
0.93
sn
0.07
层。外延gesn层时衬底温度为180℃。图2是ge衬底上外延的ge
0.93
sn
0.07
的(004)面2θ
‑
ω扫描曲线。ge
0.93
sn
0.07
与ge之间有一系列等厚干涉条纹，表明ge
0.93
sn
0.07
晶体质量良好。
37.步骤3：将外延好的gesn外延片取出，在ge一面利用电子束蒸发的方式制备ni/al/ti/au背电极，厚度分别是5/200/50/300nm。
38.步骤4：利用dmso作为溶剂制备csbr和pbbr2溶液(csbr∶pbbr2的摩尔比是2.2∶1)。用csbr 1.1mol/ml，pbbr20.5mol/ml制备0.5mol/ml的cspbbr3溶液，在45℃下搅拌整夜，然后在室温下保持4h，之后倒出上清液并过滤。
39.步骤5：在步骤3得到的gesn合金上面旋涂步骤4中得到的上清液溶液，转速2000rpm，时间为30s，并在100℃下保持20min，经过这一步会在gesn表面覆盖一层均匀的厚度100nm的cspbbr3。
40.步骤6：在步骤5得到的钙钛矿材料上面电子束蒸发20nm的au电极，得到本实施例的宽光谱探测器。
41.图3中ge
0.93
sn
0.07
/钙钛矿异质结宽光谱探测器对360nm、1550nm、2200nm光波的响应度曲线很好的说明了ge
0.93
sn
0.07
/钙钛矿异质结宽光谱探测器能够实现从紫外到红外光的探测。
42.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。