低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器。

背景技术：

1、光谱成像将成像技术与光谱技术有机地结合，通过推扫等工作方式获得每一个空间像素点光谱数据，并将获得的二维几何空间信息以及一维光谱信息组合成三维数据立方体。成像空间信息给出了探测目标的形貌表征，而光谱信息则包含探测目标的材料成分等信息，因此光谱成像在军事应用以及民用遥感、航天、医疗卫生、农产品质量安全监测等方面具有重要的应用。在光谱成像过程中，空间各点光谱信息的分离和采集是关键。通常人们采用色散光学元件，例如棱镜和光栅等，将不同波长通道的入射光在空间分离，再利用光电探测器获得不同光谱通道的强度信息。棱镜或光栅等需要有足够的空间对光谱通道进行分离，它还需要配合机械扫描的方式获取二维空间的光谱图像，因此光谱成像系统结构复杂，体积较大。由于航天器和无人机等平台对载荷有苛刻的限制，因此发展集成化光谱成像技术具有重要的应用需求。

2、目前，采用宽谱光谱通道编码和波分复用重构算法，是光谱成像器件小型化，并且提高探测响应度的有效方法。现有报道的研究方案，大都是将光谱信号在空间横向展开并编码，这增加了每一个成像像素的空间尺寸，因此光谱分辨率和成像空间分辨率存在矛盾。此外常规的光电导型探测器以及p-i-n结光电探测器，其光生载流子的产生与偏置电压无关，所以探测器的光谱响应电流与探测器偏置电压严重线性相关。因此，不能通过偏置电压对光谱通道编码，进而获得准确的光谱重构。

3、因此，研究新的波长信息获取方法和发展集成滤光和探测功能于一体的新型光谱探测器件，已成为当今光谱探测技术领域中具有重要理论和实用价值的研究方向。这一趋势符合时代发展潮流，并对多色探测、光谱探测以及多光谱成像技术的进步具有重要意义，并能推动这些领域的发展。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，可以在不同偏置电压下获得线性相关性较低的光谱响应，从而提高波分复用算法重构光谱信息的准确性。

2、技术方案：本发明是一种低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，该光谱探测器采用多层不同能量带隙的半导体吸收层层层堆积，并在层层堆积的半导体吸收层两侧沉积底电极、顶电极。

3、所述多层能量带隙的半导体吸收层为涵盖紫外光-近红外范围内具有高光吸收率的体材料。

4、所述具有高光吸收率的体材料包括硅，钙钛矿，量子点以及它们的组合。

5、所述具有高光吸收率的体材料包括mapbcl3、mapbbr3、mapbbr2i、mapbi3、cspbcl3、cspbbr3、cspbbr2i、cspbi3、pbs量子点、inp量子点和znse量子点等。

6、所述电极为金属电极或导电氧化物电极。

7、所述多层能量带隙半导体吸收层为大于等于4层带隙梯度分布，确保低pearson相关系数。

8、所述带隙按由大到小梯度分布。

9、所述的光谱探测器，在其顶电极一侧入射不同波长入射光，随着入射光波长增加，光子在多层能量带隙的半导体吸收层的吸收深度增加，从第一半导体吸收层到第四半导体吸收层，能透过的光波长逐渐增加，不同波长的光分别被多层能量带隙半导体吸收层的特定区域吸收；在两端电极之间均施不同电压，分别读取在黑暗和光照条件下的不同电压下电流信号，取二者之差作为最终光电流信号。

10、所述高光吸收率的体材料包括硅，钙钛矿，量子点以及它们的组合。

11、所述层层堆积的多层能量带隙的半导体吸收层采用溶液外延法，旋涂法以及喷涂法制备。

12、不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收区域不同，因此，对于不同能量带隙的半导体材料吸收层，对于不同波长的入射光其吸收量不同，对应可贡献光电流的光生载流子数不同；预先通过已知波长及光功率的单色光测量各阶梯单元的光电流，构建响应度-波长谱；进而，对于未知波长入射光，同样测量各阶梯单元产生的光电流信号，结合响应度-波长谱，求解线性方程组最优解，即可获知入射光波长。

13、本发明提出的光谱探测器的工作原理如下：

14、(1)由于不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收区域不同，随着波长改变，入射光在半导体材料吸收层中的吸收区域变化。探测器中不同能量带隙光吸收层，对入射光的吸收起到筛选作用，同时偏置电压控制不同区域光生载流子的传输和复合。

15、(2)选择波长范围为紫外-近红外波段的不同波长的单色光源对上述光谱探测器的响应度进行预先标定。在该波长范围内设定m个光谱通道，所有光谱通道的波长依次为λ1、λ2、…、λm，利用偏置电压对入射光的光谱通道进行编码，偏置电压设置为v1、v2、…、vn，且n＞m；采用可调谐单色光源对成像器件进行标定，得到在不同偏置电压下，不同波长入射光照射下成像器件的响应度，表示为：

16、

17、其中，r表示响应度，r11为偏置电压v1下，入射光波长为λ1的响应度；r1m为偏置电压v1下，入射光波长为λm的响应度；rn1为偏置电压vn下，入射光波长为λ1的响应度；rnm为偏置电压vn下，入射光波长为λm的响应度；测量并计算各个波长单色光下,各个电压下器件的响应度后，构建响应度-波长谱r(λ)。

18、(3)当未知入射光入射时，使入射光均匀照射到探测器，测量每个电压下光电流i1,i2,…in，可根据式(1)以及预先标定的响应度-波长谱r(λ)，建立包含n个等式的线性方程组，通过求取该线性方程组的最优解，即可判断入射光波长信息，从而实现光谱探测。

19、有益效果：本发明的优点如下

20、1.本发明通过器件结构设计，降低了半导体结探测器光谱响应的pearson系数，可以在不同偏置电压下获得相关性较低的光谱响应，从而提高波分复用算法重构光谱信息的准确性。

21、2.本发明在单一器件结构中实现滤光探测一体化，可实现对颜色的直接识别，无需借助分光光学部件。

22、3.本发明器件尺寸可以在精度较高的加工工艺下进一步微缩，对物理空间的占用可以做到极小，易于集成于微型图像传感器中。

23、4.本发明器件材料选择多样，可根据材料吸收特性决定可探测光谱范围，具备应用灵活性。

技术特征：

1.一种低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，该光谱探测器采用多层不同能量带隙的半导体吸收层层层堆积，并在层层堆积的半导体吸收层两侧沉积底电极、顶电极。

2.根据权利要求1所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述多层能量带隙的半导体吸收层为涵盖紫外光-近红外范围内具有高光吸收率的体材料。

3.根据权利要求2所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述具有高光吸收率的体材料包括硅，钙钛矿，量子点以及它们的组合。

4.根据权利要求3所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述具有高光吸收率的体材料包括si、mapbcl3、mapbbr3、mapbbr2i、mapbi3、cspbcl3、cspbbr3、cspbbr2i、cspbi3、pbs量子点、inp量子点和znse量子点。

5.根据权利要求1所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述电极为金属电极或导电氧化物电极。

6.根据权利要求1或2所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述多层能量带隙半导体吸收层为大于等于4层带隙梯度分布，确保低pearson相关系数。

7.根据权利要求1所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述带隙按由大到小梯度分布。

8.根据权利要求1所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器，其特征在于，所述的光谱探测器，在其顶电极一侧入射不同波长入射光，随着入射光波长增加，光子在多层能量带隙的半导体吸收层的吸收深度增加，从第一半导体吸收层到第四半导体吸收层，能透过的光波长逐渐增加，不同波长的光分别被多层能量带隙半导体吸收层的特定区域吸收；在两端电极之间均施不同电压，分别读取在黑暗和光照条件下的不同电压下电流信号，取二者之差作为最终光电流信号。

9.一种如权利要求1所述的低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器制备方法，其特征在于，所述层层堆积的多层能量带隙的半导体吸收层采用溶液外延法，旋涂法以及喷涂法制备。

技术总结
本发明公开了一种低光谱响应线性相关系数的多层带隙结构光谱探测器。解决现有光谱探测器存在不同偏置电压下探测器光谱响应曲线的线性相关Pearson系数较高的问题。该器件包括金属电极和多层能量带隙结构半导体材料吸收层，其中半导体材料吸收层能量带隙覆盖紫外到近红外范围。在p‑i‑n半导体结中设置若干不同能量带隙的半导体层，通过这些不同能量带隙半导体层调节不同波长入射光的吸收区域，并利用偏置电压控制不同区域光生载流子的传输和复合，进而改变探测器的光谱响应特性。本发明构筑的多层带隙结构的p‑i‑n结光谱探测器，能够使Pearson相关系数显著降低，无需光学元件滤光，通过软件算法，即可实现窄带多光谱重构。

技术研发人员：李青,刘世林,朱卓娅,赵志伟,张晓兵,吴忠,陈静,雷威
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15