具有梯度相结构的光电探测器及其制备方法

本发明涉及光电，具体涉及一种具有梯度相结构的光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器是将入射光信号转换为电信号的功能器件，广泛应用于图像传感、环境监测、光通信、工业检测、生物医学检测以及红外探测等领域。随着探测器件向高灵敏度、低功耗、宽光谱响应和集成化方向发展，如何在半导体薄膜内部构建有效的内建电场、提高光生电子和空穴的分离效率、降低载流子复合损失，成为了本领域的重要研究方向。

2、在光电探测器中，通过构建组分、相结构、掺杂浓度或禁带宽度呈梯度变化的功能层，可以在薄膜内部形成空间变化的能带结构，从而为光生载流子的分离和迁移提供内建驱动力。与均质薄膜相比，梯度结构薄膜有利于改善光吸收、载流子分离和电荷收集过程，因此常被用于提升薄膜光电探测器的响应强度、响应速度及稳定性。

3、当前，相关技术通过在探测器件薄膜内引入纵向梯度相结构（即组分或能带沿薄膜厚度方向梯度变化），来构建垂直方向的内建电场。该纵向梯度相结构虽然能够在一定程度上缩短器件内的载流子输运路径，并建立垂直方向的内建电场。然而，薄膜内纵向梯度结构的能带和组分变化往往被限制在垂直厚度方向上，导致整片薄膜在宏观二维平面上仍表现出相对均匀的带隙分布。这种平面内的物理对称性使得光生载流子在水平方向上缺乏驱动力，难以形成有效的横向输运，从而无法构建高性能、无外加偏压的自驱动近红外光电探测器；并且也难以在同一薄膜平面内形成多个具有不同响应特性的功能区域，从而限制了其在片上多区域功能集成和平面多光谱判别中的应用。

4、因此，需要设计一种具有梯度相结构的光电探测器及其制备方法，以改善上述问题。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种具有梯度相结构的光电探测器，以用于改善具有纵向梯度相结构的光电探测器件因在平面内带隙结构均一，而难以在薄膜的平面空间上实现载流子横向输运以及分区域多波段光电响应的技术缺陷。

2、为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种具有梯度相结构的光电探测器，该光电探测器包括衬底、功能层和电极。

3、其中，功能层设置在所述衬底上，所述功能层包括sns和sn2s3；电极设置在所述功能层上；自所述功能层的中心至外缘的径向方向上，所述sn2s3在所述sns和所述sn2s3中的摩尔含量呈梯度增加。

4、在本发明一示例中，所述功能层的禁带宽度为0.93~1.3 ev。

5、在本发明一示例中，沿所述功能层的中心至外缘的径向方向，所述功能层的禁带宽度呈梯度降低。

6、在本发明一示例中，所述功能层对波长为400nm~808nm为入射光的具有光电响应。

7、在本发明一示例中，所述衬底为半导体衬底或绝缘衬底。

8、在本发明一示例中，所述电极为圆环电极。

9、本发明还提供一种具有梯度相结构光电探测器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

10、提供衬底；

11、在所述衬底上形成sns薄膜，制得基底；

12、在第一温度下，通入磷蒸汽诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3，以形成功能层；其中，自所述功能层的中心至外缘的径向方向上，相变形成的所述sn2s3的相对摩尔含量呈梯度增加；所述第一温度为150℃~350℃；

13、在所述功能层上镀电极，制成光电探测器。

14、在本发明一示例中，所述提供衬底，还包括：对所述衬底表面进行亲水性处理。

15、在本发明一示例中，所述在第一温度下，通入磷蒸汽诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3包括：

16、将红磷和所述基底分别置于炉体的两个温区中；

17、将所述红磷置于第二温度下加热，将所述基底置于所述第一温度下加热；在所述炉体通入惰性气体，以促使所述红磷蒸发的磷蒸汽传输至所述基底表面，并诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3；所述第二温度为200℃~500℃。

18、在本发明一示例中，所述在第一温度下，通入磷蒸汽诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3，包括：

19、通入的所述磷蒸汽在所述sns薄膜内形成扩散梯度，以使所述sns薄膜内相变形成sn2s3的相对含量自边缘至中心区域梯度减少；所述扩散梯度在sns薄膜自外缘至中心的径向方向上梯度减小。

20、在本发明一示例中，在所述炉体中，所述红磷与所述基底之间距离为20~24 cm。

21、在本发明一示例中，对于所述基底的加热时间为50~70分钟。

22、本发明提供了一种具有梯度相结构的光电探测器，该光电探测器在功能层引入sns和sn2s3混合相，并沿功能层的中心至外缘的径向方向上，形成 sn2s3相对摩尔含量梯度增加的径向梯度结构。借助该径向梯度相结构，功能层能够在平面方向上形成连续变化的禁带宽度和能带分布，从而有利于光生载流子的分离、迁移和收集，并为多区域光电响应及近红外探测提供结构基础。

23、本发明提供的光电探测器的制备方法，在第一温度下向sns薄膜通入磷蒸汽，使磷蒸汽在薄膜中形成由外缘向中心递减的扩散梯度，进而诱导sns薄膜中的部分sns转变为sn2s3，得到sn2s3相对摩尔含量沿中心至外缘方向梯度增加的功能层。本发明提供的制备方法克服了sns向sn2s3相变需要高温或高压条件的限制，在化学气相沉积工艺沉积sns薄膜基础上，通过引入磷蒸汽以实现在低温下同步制备连续的径向梯度结构，进而为制备径向梯度带隙薄膜提供便捷有效的制备方法。

1.一种具有梯度相结构的光电探测器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述功能层的禁带宽度为0.93~1.3ev。

3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，沿所述功能层的中心至外缘的径向方向，所述功能层的禁带宽度呈梯度降低。

4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述功能层对波长为400nm~808nm为入射光的具有光电响应。

5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为半导体衬底或绝缘衬底。

6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述电极为圆环电极。

7.一种具有梯度相结构光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在第一温度下，通入磷蒸汽诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3包括：

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述在第一温度下，通入磷蒸汽诱导所述sns薄膜中部分sns相变为sn2s3，包括：

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述炉体中，所述红磷与所述基底之间距离为20~24 cm；和/或，对于所述基底的加热时间为50~70分钟。