一种微分转换型宽光谱光电探测器及其制备方法

1.本发明涉及光学探测器件技术领域，具体涉及一种微分转换型宽光谱光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.传统光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的光电器件，在通信、医疗、热成像、环境监测和国防科技领域都具有广泛的应用。随着无人驾驶，天基武器系统等发展，市场渴望得到一种除具有高响应特性，探测灵敏度高，响应快速等传统特性外，还可以在日间(强背底噪声下)使用的宽谱光电探测器。
3.由于高灵敏光电探测器极容易饱和，即光电流不再随光强增大而增大，为了光电探测器在日间使用时能够保持高灵敏度，器件常搭配相应滤波片使用，使信号光与背底噪声分离，这样必然导致探测器损失宽光谱探测特性，大大限制了器件的应用场景。另外，现有大量研究小组通过掺杂工程、拓扑结构构建、量子点修饰等形式提高光电探测材料的灵敏度，使其在暗室中微弱光激发下获得可观的光电流，一方面这种提升十分有限，另一方面使其在日间工作更容易饱和，进一步限制了应用场景。相比之下，利用微分运算中去直流(稳恒背底光)的特性，微分转换型光电探测器件能够在日间保持极高灵敏度。另外，利用对时间的微分特性，器件所产生的光电流大小除了受信号光强影响外，还受信号光变化快慢的影响，这为器件性能的提升提供了另一个维度。
4.国内外少有小组研究微分转换型光电探测器件，三明学院崔积适等人在《一种新型电容式光电探测器》(专利申请号cn 111668327 a)，提供了一种将电极板放置于传统光电转换器件两侧的电容式光电探测器，丹麦哥本哈根大学patrick j windpassinger等在《计量科学与技术》(measurement science and technology,2009,20卷,55301页)报道了将微分电路作为传统光电探测器件的后级，实现了一种超低噪声差分交流耦合光电探测器。但以上报道仍然存在问题：(1)光探测器加上电学运算器件的结合方式，器件结构比较复杂。(2)没有从本质上改变探测器在强背景光条件下的饱和特性，依然无法摆脱在日间使用的缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种器件结构简单、能在日间使用的微分转换型宽光谱光电探测器及其制备方法。
6.本发明的目的通过以下的技术方案实现：
7.一种微分转换型宽光谱光电探测器，包括：从下到上依次设置的衬底，半导体薄膜以及电极，电极位于半导体薄膜的上表面的两端。
8.优选地，衬底为硅，半导体薄膜为氧化钛薄膜、氧化铜薄膜、氧化锌薄膜、氧化锡薄膜的一种，电极为金薄膜。
9.一种基于上述微分转换型宽光谱光电探测器的宽光谱光电探测系统，包括：光谱
光电探测器件、调制光源、信号发生器和源表；源表的两端分别和光谱光电探测器件两端的电极连接，调制光源正对光谱光电探测器件的半导体薄膜，信号发生器和调制光源连接。
10.优选地，调制光源为led，激光二极管和氙灯中的一种。氙灯配合单色仪使用。
11.一种基于上述的微分转换型宽光谱光电探测器的制备方法，包括：
12.s1，采用射频磁控溅射的方法在衬底上镀半导体薄膜；
13.s2，在半导体薄膜表面的两端沉积金属作为电极。
14.优选地，步骤s1包括：将衬底进行清洗，去除衬底表面的有机污染物；将衬底放入磁控溅射设备真空腔中；以金属为靶材，用氩气对靶面进行预清洁；采用中频射频磁控溅射的方法，在衬底沉积生长半导体薄膜。
15.优选地，若半导体薄膜为氧化铜薄膜，电阻率为0.001～0.1ω
·
cm的p型si作为生长衬底，则步骤s1包括：将衬底分别放在乙醇，丙酮溶剂中，采用超声清洗3～10分钟，去除衬底表面的有机污染物；将洗好的衬底放入等离子清洗机中进行清洗；将衬底放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空10
‑3～10
‑6pa；以金属铜为靶材，先用氩气对靶面进行预清洁，再切换成氧气，压强为0.1～5pa,；采用中频射频磁控溅射的方法，在衬底上沉积生长氧化铜薄膜；沉积温度30～150℃，溅射功率30～150w，薄膜厚度10～200nm。
16.优选地，若半导体薄膜为氧化锌薄膜，本征si作为生长衬底，则步骤s1包括：将衬底分别放在乙醇，丙酮溶剂中，采用超声清洗3～10分钟，去除衬底表面的有机污染物；将洗好的衬底放入等离子清洗机中进行清洗；将衬底放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空10
‑3～10
‑6pa；以金属锌为靶材，先用氩气对靶面进行预清洁，再切换成氧气，压强为0.1～5pa；采用中频射频磁控溅射的方法，在衬底上沉积生长zno2薄膜；沉积温度30～150℃，溅射功率30～150w，薄膜厚度10～500nm。
17.优选地，若半导体薄膜为氧化锡薄膜，本征si作为生长衬底，则步骤s1包括：将衬底分别放在乙醇，丙酮溶剂中，采用超声清洗3～10分钟，去除衬底表面的有机污染物；将洗好的衬底放入等离子清洗机中进行清洗；将衬底放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空10
‑3～10
‑6pa；以金属锡为靶材，先用氩气对靶面进行预清洁，再切换成氧气，压强为0.1～5pa；采用中频射频磁控溅射的方法，在衬底上沉积生长氧化锡薄膜；沉积温度30～150℃，溅射功率30～120w，薄膜厚度10～200nm。
18.优选地，若半导体薄膜为氧化钛薄膜，本征si作为生长衬底，则步骤s1包括：将衬底分别放在乙醇，丙酮溶剂中，采用超声清洗3～10分钟，去除衬底表面的有机污染物；将洗好的衬底放入等离子清洗机中进行清洗；将衬底放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空10
‑3～10
‑6pa；以金属钛为靶材，先用氩气对靶面进行预清洁，再充入氧气，调节氧气与氩气比例为1:5～1:30，压强为0.1～5pa；采用中频射频磁控溅射的方法，在衬底上沉积生长氧化钛薄膜；沉积温度30～150℃，溅射功率30～150w，薄膜厚度10～100nm。
19.本发明相对于现有技术具有如下优点：
20.本发明制备了si/tio
x
、p
‑
si/cuo、si/zno、si/sno2、si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型光探测器件，其中，p型si与p型cuo薄膜形成异质结、本征型si与n型zno、sno2、tio
x,x＝0.5～2
薄膜形成异质结。所获得si/tio
x
、p
‑
si/cuo、si/zno、si/sno2、si/tio
x,x＝0.5～2
异质结(由电压
‑
电流曲线是非线性可得)微分转换型光探测器件可以对280～1150nm，特别是650～940nm波长范围，实现高灵敏、快速探测，除具有灵敏度高特性外，紫外、可见和近红外
光波长宽谱范围均能够响应，实现将光强信号的微分形式以电流信号方式输出。该器件制作简单，成本低廉，性能优异，有望应用于光通信、日间激光雷达、运动侦测、振动监测等领域。
附图说明
21.构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1为本发明的微分转换型宽光谱光电探测器的侧视图。
23.图2为本发明的宽光谱光电探测系统的结构图。
24.图3(a)为本发明的p
‑
si/cuo异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图。
25.图3(b)为本发明的si/zno异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图。
26.图3(c)为本发明的si/sno2异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图。
27.图3(d)为本发明的si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图。
28.图4为本发明的采用开关调制的led(453nm)照射，p
‑
si/cuo异质结微分转换型宽光谱光电探测器(0v偏压)产生的双极性脉冲式光电流图。
29.图5为本发明的采用开关调制的led(453nm)照射，si/zno异质结微分转换型宽光谱光电探测器(0v偏压)产生的双极性脉冲式光电流图。
30.图6为本发明的采用开关调制的led(453nm)照射，si/sno2异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生的双极性脉冲式光电流图。
31.图7为本发明的采用开关调制的led(453nm)照射，si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生的双极性脉冲式光电流图。
32.图8为本发明的p
‑
si/cuo、si/zno、si/sno2、si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型光探测器件在相同开启速度下不同波长的响应度图。
33.图9(a)为本发明的正弦波调制的led光(453nm)照射下，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生光电流与调制光强微分形式对比图。
34.图9(b)为本发明的三角波调制的led光(453nm)照射下，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生光电流与调制光强微分形式对比图。
35.图9(c)为本发明的半正弦波调制的led光(453nm)照射下，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生光电流与调制光强微分形式对比图。
36.图10为本发明的采用不同频率的正弦波调制的led(453nm)照射，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生电流峰峰值与频率呈线性关系图。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
38.实施例1
39.参见图1，一种微分转换型宽光谱光电探测器，包括：从下到上依次设置的衬底1，半导体薄膜2以及电极3，电极3位于半导体薄膜2的上表面的两端。
40.其中，衬底1为商用硅，电极3为金薄膜，本发明的微分转换型宽光谱光电探测器是一类自驱动的硅基金属氧化物薄膜微分转换型宽光谱光电探测器，其可以在强背景光情况下，实现对紫外
‑
可见光
‑
近红外光的敏感探测，且将光强信号的微分形式以电流信号方式输出。
41.在本实施例，半导体薄膜2为氧化铜(cuo)薄膜，电阻率为0.001～0.1ω
·
cm的p型si作为生长衬底1，则p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器的制备方法如下：
42.将衬底1分别放在乙醇，丙酮溶剂中，采用超声清洗5分钟，去除衬底1表面的有机污染物。将洗好的衬底1放入等离子清洗机(功率120w，时长2分钟)中进行清洗，再将衬底1放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空2
×
10
‑4pa；以金属铜为靶材，先用氩气对靶面进行清洁，再切换成氧气，压强为0.4pa,采用中频射频磁控溅射的方法，沉积生长cuo薄膜。沉积温度95℃，溅射功率75w，薄膜平均厚度34.3nm。生长出cuo薄膜后，将器件放入真空腔中，本底真空3
×
10
‑3pa，采用热蒸发技术，辅助掩模版的方法，在cuo薄膜表面沉积两个50nm厚度的金(au)作为电极3。0v偏压时，器件的暗电流为4.44na，入射光功率密度16.4μw/cm2，光照面积0.12cm2，光电流峰值26.55ua。
43.参见图2，上述的微分转换型宽光谱光电探测器的宽光谱光电探测系统，包括：光谱光电探测器件、调制光源4、信号发生器和源表5；源表5的两端分别和光谱光电探测器件两端的电极3连接，调制光源4正对光谱光电探测器件的半导体薄膜2，信号发生器和调制光源4连接。在确定波形调制的光源输出的光强信号照射下，器件输出光电流均按照光强微分形式(如采用氧化铜为半导体薄膜2器件相关系数大于0.95)；采用光开关调制方式，在光照打开瞬间，器件能够产生正向脉冲形式光电流，在光照关闭瞬间，器件能够产生负向脉冲形式电流。在特别设计的电极3下，可在光照打开、关闭瞬间产生同一方向脉冲形式电流。
44.在本实施例，以发光led为光源，中心波长由光纤光谱仪(ocean
‑
200～850nm)标定。光功率由激光能量计(thorlabs
‑
pm100a)标定。光源照射在上述步骤获得的光探测器上。采用是德科技(keysight
‑
b2902a)数字源表5记录器件产生电流，器件偏压为0v。采用信号发生器驱动发光led，实现入射光周期性开/关以及波形调制。
45.实验数据：
46.p
‑
si/cuo异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图3(a)所示。
47.p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器对850nm近红外光的响应度为1.34ma/w。
48.在宽光谱光电探测系统中，p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器对开/关调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，采用开关调制的led(453nm)照射，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生双极性脉冲式光电流如图4所示，光照打开瞬间(从0mw/cm2到7mw/cm2，开启时间69ms)0v偏压下，探测器产生0.2ua脉冲形式光电流；相同工作环境下，光照打开瞬间(从0nw/cm2到28nw/cm2，开启时间30ms)，探测器产生1.5na脉冲形式光电流。
49.采用不同频率的正弦波调制的led(453nm)照射，p
‑
si/cuo异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生电流峰峰值与频率呈线性关系如图10所示。
50.在宽光谱光电探测系统中，p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器对正弦波调制led光
源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，参见图9(a)，采用1hz正弦波信号调制，峰值光功率密度为1.2mw/cm2，0v偏压下，探测器输出光电流形式与采用激光能量计采集的光强信号的微分形式相关系数为0.964。采用2hz正弦波信号调制，峰值光功率密度为1.2mw/cm2，探测器输出光电流形式与采用激光能量计采集的光强信号的微分形式的相关系数为0.985。
51.在宽光谱光电探测系统中，p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器对三角波调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，参见图9(b)，采用1hz三角波信号调制，峰值光功率密度为1.2mw/cm2，0v偏压下，探测器输出光电流形式与采用激光能量计采集的光强信号的微分形式的相关系数为0.982。
52.在宽光谱光电探测系统中，p
‑
si/cuo微分转换型光电探测器对半正弦波调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，参见图9(c)，采用1hz半正弦波信号调制，峰值光功率密度为1.2mw/cm2，0v偏压下，探测器输出光电流形式与采用激光能量计采集的光强信号的微分形式的相关系数为0.969。
53.实施例2
54.实施例2与实施例1的区别在于，半导体薄膜2为氧化锌(zno)薄膜。
55.则si/zno微分转换型光电探测器的制备方法如下：
56.选用电阻率大于3000ω
·
cm的本征si作为生长衬底1，清洁处理步骤同实施例1；将衬底1放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空2
×
10
‑4pa；以金属锌为靶材，先用氩气对靶面进行清洁，再切换成氧气，压强为0.7pa,采用中频射频磁控溅射的方法，沉积生长zno薄膜。沉积温度95℃，溅射功率70w，薄膜平均厚度30.4nm。生长出zno薄膜后，将器件放入真空腔中，本底真空3
×
10
‑3pa，采用热蒸发技术，辅助掩模版的方法，在zno薄膜表面沉积两个50nm厚度的金(au)作为电极3。0v偏压时，器件的暗电流为0.18na，入射光功率密度16.4μw/cm2，光照面积0.12cm2，光电流峰值1.32na。
57.实验数据：
58.si/zno异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图3(b)所示。
59.si/zno微分转换型光电探测器对850nm近红外光的响应度为0.07ma/w。
60.在宽光谱光电探测系统中，si/zno微分转换型光电探测器对开/关调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，采用开关调制的led(453nm)照射，si/zno异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生双极性脉冲式光电流如图5所示，光照打开瞬间(从0mw/cm2到7mw/cm2，开启时间70ms)0v偏压下，探测器产生2.7na脉冲形式光电流。
61.实施例3
62.实施例3与实施例1的区别在于，半导体薄膜2为氧化锡(sno)薄膜。
63.则si/sno微分转换型光电探测器的制备方法如下：
64.选用电阻率大于3000ω
·
cm的本征si作为生长衬底1，清洁处理步骤同实施例1；将衬底1放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空2
×
10
‑4pa；以金属锡为靶材，先用氩气对靶面进行清洁，再切换成氧气，压强为0.3pa,采用中频射频磁控溅射的方法，沉积生长sno2薄膜。沉积温度95℃，溅射功率42w，薄膜平均厚度20.2nm。生长出sno2薄膜后，将器件放入真空腔中，本底真空3
×
10
‑3pa，采用热蒸发技术，辅助掩模版的方法，在sno2薄膜表面沉积两个50nm厚度的金(au)作为电极3。0v偏压时，器件的暗电流为0.09na，入射光功率密度16.4μ
w/cm2，光照面积0.12cm2，光电流峰值3.88na。
65.实验数据：
66.si/sno异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图3(c)所示。
67.si/sno微分转换型光电探测器对850nm近红外光的响应度为0.23ma/w。
68.在宽光谱光电探测系统中，si/sno微分转换型光电探测器对正弦波调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，si/sno异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生双极性脉冲式光电流如图6所示，光照打开瞬间(从0mw/cm2到7mw/cm2，开启时间67ms)0v偏压下，探测器产生0.19ua脉冲形式光电流。
69.实施例4
70.实施例4与实施例1的区别在于，半导体薄膜2为氧化钛(tio)薄膜。
71.则si/tio
x,x＝0.5～2
微分转换型光电探测器的制备方法如下：
72.选用电阻率大于3000ω
·
cm的本征si作为生长衬底1，清洁处理步骤同实施例1；将衬底1放入磁控溅射设备真空腔中，本底真空2
×
10
‑4pa；以金属钛为靶材，先用氩气对靶面进行清洁，再充入氧气，调节氧气与氩气比例为1:15，压强为0.3pa,采用中频射频磁控溅射的方法，沉积生长tio
x,x＝0.5～2
薄膜。沉积温度93℃，溅射功率75w，薄膜平均厚度20.4nm。生长出tio
x,x＝0.5～
薄膜后，将器件放入真空腔中，本底真空3
×
10
‑3pa，采用热蒸发技术，辅助掩模版的方法，在tio
x,x＝0.5～2
薄膜表面沉积两个50nm厚度的金(au)作为电极3。0v偏压时，器件的暗电流为0.06na，入射光功率密度103μw/cm2，光照面积0.2cm2，光电流峰值0.95na。
73.实验数据：
74.si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型宽光谱光电探测器的电流
‑
电压曲线图3(d)所示。
75.si/tio
x,x＝0.5～2
微分转换型光电探测器对850nm近红外光的响应度为0.43ma/w。
76.在宽光谱光电探测系统中，si/tio
x,x＝0.5～2
微分转换型光电探测器对开/关调制led光源响应：使用中心波长为453nm，半高宽为24nm的led光源，si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型光探测器件(0v偏压)产生双极性脉冲式光电流如图7所示，光照打开瞬间(从0mw/cm2到6.8mw/cm2，开启时间71ms)0v偏压下，探测器产生0.26na脉冲形式光电流。
77.在相同开启速度下不同波长p
‑
si/cuo、si/zno、si/sno2、si/tio
x,x＝0.5～2
异质结微分转换型光探测器件的响应度(氙灯照射，0v偏压，脉冲电流取峰值表征)如图8所示。
78.所获得si/tio
x
、p
‑
si/cuo、si/zno、si/sno2、si/tio
x,x＝0.5～2
异质结(由电压
‑
电流曲线是非线性可得)微分转换型光探测器件可以对280～1150nm，特别是650～940nm波长范围，实现高灵敏、快速探测。该器件利用对光有一定响应的半导体硅、及具有电容特性的金属氧化物组合成异质结，因此器件光谱响应度与硅器件相似，见图8，另外，由于电容端电流分别与电容容量、电压对时间的微分成正比，因此器件能够将光强信号转化为对时间微分的电流形式输出，且光强变化越快，电压对时间的微分量越大，器件输出的光电流亦越大，从而实现高灵敏、快速探测等功能。因而，本方案的微分转换型宽光谱光电探测器除具有灵敏度高特性外，紫外、可见和近红外光波长宽谱范围均能够响应，实现将光强信号的微分形式以电流信号方式输出。该器件制作简单，成本低廉，性能优异，有望应用于光通信、日间激光雷达、运动侦测、振动监测等领域。
79.上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任
何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。