本發明屬于光電探測領域，涉及一種pn結和肖特基結耦合的雙極性響應光電探測器，具體涉及一種半導體薄膜摻雜濃度和濃度梯度依賴的光電流雙極性響應光電探測器。

背景技術：

1、光電探測器作為光電集成芯片的重要組成部分，在現代科技領域具有重要的研究意義?；诠饧用芡ㄓ?、無濾波系統、高分辨成像等應用領域的現實需求，電流信號極性可翻轉的雙極性光電探測器應運而生。雙極性光電探測器為光電轉換過程提供了光電流極性這一新的調控維度，可根據入射光的功率密度、波長、偏振等特征參數調制輸出雙極性的光電流信號，反映了入射光與半導體物質相互作用過程中的多重信息，具有重要的研究價值。

2、為實現光電流響應雙極性光電探測器設計，研究者圍繞多種光與物質相互作用過程提出了針對不同場景的解決方案。研究者基于p和n型gan材料在不同波長紫外光照射下的析氫析氧過程，提出了可用于海洋通訊的紫外光光電流響應雙極性光電探測器；基于兩個方向不同的內建電場耦合構建的背靠背結構，研究者利用不同波長入射光穿透深度不同的原理，設計制備了在波長較長的可見光波段發生光電流信號反向的雙極性光電探測器。然而上述光電流響應雙極性光電探測器其光電流拐點通常只與波長有關，受限于材料自身的物理化學特性，拐點的位置通常是固定的，缺乏靈活性，限制了其在成像領域方面的應用。基于半導體摻雜工藝可改變材料吸收系數的原理，結合雙結區耦合的方案，可通過摻雜調控的方式實現光電流雙極性響應光電探測器拐點的靈活調制。

技術實現思路

1、本發明的目的是通過pn結與肖特基結背靠背耦合結構，實現一種摻雜依賴的光電流雙極性響應光電探測器。本發明提供了一種通過改變半導體薄膜的摻雜濃度和濃度梯度，調控光電探測器光電流雙極性響應拐點位置的方法。

2、本發明公開了一種摻雜依賴的光電流雙極性響應的光電探測器。其特征在于：該光電探測器包含mn均勻摻雜n型zno薄膜、p型si襯底、al薄膜以及ito透明電極；所述p型si為中間層，si的正面與百納米尺度的n型mn摻雜zno薄膜構成pn結，si的背面與底部幾十納米厚的al薄膜形成肖特基接觸。所述pn結與肖特基結具有方向相反的內建電場。以mn摻雜zno薄膜頂部的ito薄膜和底部的al薄膜作為電極可連接外電路進行光電流輸出。所述mn摻雜zno薄膜的化學式為zn1-xmnxo。當一束單色光從pn結處入射時，隨著入射光功率密度逐漸增大，穿透pn結入射到肖特基結的光子數增加，外電路中的光電流方向逐漸反向，實現雙極性光電流響應輸出。所述的功率密度拐點與入射光的波長有關，波長越長的單色光，其穿透系數越大，對應的功率密度拐點向著功率密度更小的方向移動。

3、所述的功率密度拐點與構成光電探測器的zno半導體薄膜中mn摻雜濃度和摻雜濃度梯度相關，相比于傳統的雙極性光電探測器，本發明具有如下優點：

4、1.本發明可通過調控zno薄膜的摻雜濃度，改變該薄膜的吸收系數，從而調控入射到肖特基結處的光子數，進一步調制該光電探測器拐點位置對應的入射光波長或者功率密度。摻雜濃度的范圍為0.00＜x＜0.12。隨著摻雜濃度的提高，半導體薄膜的吸收系數減小，入射的單色光被zno薄膜大量吸收，入射到肖特基結處的光子數大大減小，從而導致光電流雙極性響應光電探測器的拐點向著更強的功率密度方向移動。反之，隨著摻雜濃度的減小，半導體薄膜的吸收系數反而增大，相應參數的光電流雙極性響應光電探測器的拐點向著更弱的功率密度方向移動。

5、2.本發明可通過調控zno薄膜的摻雜濃度梯度，改變該薄膜的吸收系數，從而調控入射到肖特基結處的光子數，進一步調制該光電探測器拐點位置對應的入射光波長或者功率密度。摻雜濃度的范圍為0.00＜x＜0.12。隨著遠離pn結界面的方向，定義摻雜濃度x在0.00～0.12范圍內逐漸增大的梯度摻雜器件為正向梯度器件；隨著遠離pn結界面的方向，定義摻雜濃度x在0.00～0.12范圍內逐漸減小的梯度摻雜器件為反向梯度器件。反向摻雜薄膜對入射光吸收較強，入射光被zno薄膜大量吸收，入射到肖特基結處的光子數大大減小，從而導致光電流雙極性響應光電探測器的拐點向著更強的功率密度方向移動。反之，正向摻雜薄膜對入射光吸收較弱，入射到肖特基結處的光子數增加，相應參數的光電流雙極性響應光電探測器拐點向著更弱的功率密度方向移動。

技術特征：

1.一種摻雜濃度依賴的光電流雙極性響應光電探測器，其特征在于：該光電探測器包含相互耦合的pn結和肖特基結；所述的pn結由百納米厚的mn均勻摻雜的zno半導體薄膜和p型si構成；所述的肖特基結由p型si與底部金屬al薄膜構成；所述的光電探測器響應特點是隨著pn結側入射的單色光的功率密度逐漸增大，照射到背部肖特基結處的光子數增加，產生的光電流信號逐漸反向，光電流反向對應的功率密度拐點由照射到肖特基結上的光子數決定；所述的功率密度拐點由半導體薄膜對光波的吸收決定，與入射光的波長、構成光電探測器的zno半導體薄膜中mn摻雜濃度、以及半導體薄膜的厚度相關，改變mn摻雜的濃度可對拐點位置進行調控。

2.一種摻雜濃度梯度依賴的光電流雙極性響應光電探測器，其特征在于：該光電探測器包含相互耦合的pn結和肖特基結；所述的pn結由百納米厚的mn梯度摻雜的zno半導體薄膜和p型si構成；所述的肖特基結由p型si與底部金屬al薄膜構成；所述的光電探測器通過調控mn摻雜濃度的梯度大小和方向調控氧化鋅薄膜對不同波長光波的吸收，調控照射到背部肖特基結處的光子數，從而實現功率密度拐點受摻雜濃度梯度調控的光電流雙極性響應光電傳感器。

3.一種用于實現權利要求1所述摻雜濃度依賴光電流雙極性響應光電探測器的方法，其特征在于包括以下實現步驟：

4.一種用于實現權利要求2所述摻雜濃度梯度依賴光電流雙極性響應光電探測器的方法，其特征在于包括以下實現步驟：

技術總結
本發明設計一種摻雜濃度依賴的光電流雙極性響應自供能光電探測器。該光電探測器是由pn結和肖特基結背靠背耦合而成。利用不同摻雜濃度、不同摻雜濃度梯度的氧化物半導體薄膜和硅構建PN結，并在硅的底部形成肖特基結接觸，構建PN?肖特基結結構。不同功率的光從PN結頂部入射時，照射到肖特基結中的光子數不同，產生的光電流信號方向會隨著入射光的功率密度發生反向，展示出光電流雙極性響應和確定的光電流拐點。不同摻雜濃度或者摻雜濃度梯度的半導體薄膜對不同波長光波具有不同的吸收系數，從而調控雙極性光電流響應的拐點位置。該探測器具有制作工藝簡單、器件環境友好的優勢，在新型成像單元設計方面具有廣闊的應用前景。

技術研發人員：王兆娜,邱顯淳
受保護的技術使用者：北京師范大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28