[发明专利]一种光电二极管装置以及一种产生整流效应的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种光电二极管装置以及一种产生整流效应的方法。

背景技术

石墨烯是一种由蜂窝状排列的碳原子组成的新型二维材料，其具有独特的线性能带结构、优异的电学性能、大的比表面积、机械强度以及良好的化学稳定性。石墨烯与传统半导体(特别是半导体硅材料)结合制备肖特基结器件已有大量的报道[见arXiv：1505.07686(2015)]。肖特基结作为现代半导体器件的主要结构单元在现代半导体光电组件和系统中得到了广泛应用。现有的基于石墨烯/半导体肖特基结的太阳能电池、光电二极管等都采用了石墨烯/半导体(掺杂)的垂直结构型器件(即二极管的电极分别制备在石墨烯和半导体上)，该垂直结构型器件的石墨烯层作为透明电极和载流子收集层，而半导体材料层既是光信号的响应层，也是光生载流子的传输层。由于载流子在半导体材料中的迁移速率的限制，这种石墨烯/半导体肖特基结光电二极管的光电响应速度相比商用的硅基光电二极管并无改善，仍然在微秒量级；另外，其垂直结构限制了在平面集成和微纳器件等方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光电二极管装置，包括光源和整流结构，所述整流结构包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一ITO(一种带隙为4.0eV的铟锡金属氧化物)电极和第二电极，其中，所述第一ITO电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，以及其中：

i)所述光源发射的光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底的带隙，且所述光源仅辐照第一ITO电极；

ii)所述第一ITO电极的面积大于所述光源发射光的光斑面积。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，所述光源仅辐照所述第一ITO电极的靠近所述石墨烯层的区域。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，所述第一ITO电极的面积为所述光源发射光的光斑面积的至少10倍。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，所述高阻光增益半导体衬底为高阻有机半导体或高阻无机半导体。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，所述光源为紫外光源，所述高阻光增益半导体衬底为SiC，或者所述光源为可见光源，所述高阻光增益半导体衬底为Si、GaP或GaAs。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，所述第二电极为金属或ITO电极。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，还包括不透光涂覆层，所述不透光涂覆层涂覆至所述整流结构的除了所述第一ITO电极的靠近所述石墨烯层的区域之外的区域。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，还包括分别电连接至所述第一ITO电极和所述第二电极的第一引线和第二引线。

根据本发明的光电二极管装置，优选地，还包括将所述高阻光增益半导体衬底、所述石墨烯层、所述第一和第二电极以及所述第一和第二引线进行封装的封装壳体，其中所述封装壳体具有通光窗口。

本发明还提供了一种采用上述光电二极管装置产生整流效应的方法。

根据本发明的产生整流效应的方法，其中，当给所述第一ITO电极施加正偏压时，短路光电流接近或等于暗电流；而当给所述第一ITO电极施加负偏压时，短路光电流随辐照光强的增强而增加。

本发明的平面结构的石墨烯光电二极管装置的整流特性明显，光电转换效率高，可广泛应用于有机、无机半导体材料体系制备柔性、平面集成的、微纳尺度的光电二极管元器件。特别是在短路情况下，该光电二极管装置在未受辐照电极上施加正向偏压的条件下，还可作为无需外部电源的超快、灵敏光探测器。

附图说明

以下参照附图对本发明的实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明的光电二极管装置的截面结构的示意图；

图2为图1所示的光电二极管装置中的整流结构100的俯视图，未示出引线；

图3为第一ITO电极与SiC异质结界面的能带结构示意图，其中E_C、E_V和E_F分别表示SiC的导带、价带和费米能级；

图4为有光照且受光照的第一ITO电极施加负偏压的情况下ITO-石墨烯-ITO的能带结构示意图；

图5为无光照的情况下或受光照的第一ITO电极上施加正偏压的情况下ITO-石墨烯-ITO的能带结构示意图；