CN104701391B

CN104701391B - 一种光电信息转换元件及其应用

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Publication number: CN104701391B
Application number: CN201510114334.6A
Authority: CN
Inventors: 李润伟; 檀洪伟; 刘钢
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: CN104701391A

Abstract

本发明提供了一种光电信息转换元件，包括顶电极、介质层与底电极，其中介质层与底电极、顶电极中的至少一个电极构成肖特基结。该元件对光具有宽谱效应，当光照射时，结区光生空穴对肖特基结特性进行调控，从而持续改变元件电阻，并且通过控制照射光的强度和/或波长，能够对元件电阻进行多态调控；另外，通过施加一定的电压又能够将电子注入肖特基结界面处，从而使元件电阻恢复到初始状态。因此，该元件具有宽谱响应、可持续性的光电导，可应用于多功能光探测器、智能感光器、光信号运算器、光信息解码(或编码)器以及非易失性存储器等诸多领域。

Description

一种光电信息转换元件及其应用

技术领域

本发明涉及光电信息转换技术领域，特别是涉及一种宽谱响应，可持续性的光电信息转换元件及应用。

背景技术

光电信息转换，即将光信号转换为电信号，是光互联芯片中重要的组成部分之一。而光电信息转换元件的性能决定其在光互联芯片中发挥的作用。当前光电信号转换通常是利用半导体材料的光电导特性，即光照可改变转换元件的电阻，光照停止，元件电阻即回复到初始状态，即转换元件没有持续光电导性能。若能通过元件材料的选则以及结构的设计，从本质上改变光电导的性能，使其具有如宽谱响应、持续性光电导等性能，将极大拓宽其应用，对于开发新型多功能信息光电子器件极为重要。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种新型的光电信息转换元件，其具有宽谱响应，可持续性的光电导。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种光电信息转换元件，包括底电极、顶电极以及位于底电极与顶电极之间的介质层；

底电极、顶电极中至少一个电极是透明的；

底电极、顶电极中至少一个电极与介质层的界面接触为肖特基接触，即，底电极与介质层的界面接触为肖特基接触；或者，顶电极与介质层的界面接触为肖特基接触；或者，底电极与介质层的界面接触为肖特基接触，并且顶电极与介质层的界面接触为肖特基接触；

所述光电信息转换元件依次在无光照射、光照射、撤销光照射、施加电信号的条件下，发生如下转变：

无光照射时，所述光电信息转换元件电阻为初始电阻，呈高阻状态；

当光通过透明电极照射到所述光电信息转换元件时，该元件电阻降低，即元件电阻状态发生转变，从高电阻状态(即高阻态)转变为低电阻状态(即低阻态)；

撤销该光照射后，所述光电信息转换元件保持在低电阻状态，即该电阻状态转变为非易失性转变；

对所述光电信息转换元件施加电压，该元件电阻可恢复至高电阻状态。

所述顶电极和底电极材料可分别选自铝、银、镍、铁、铂、金、铜等金属，掺铌钛酸锶、镧锶锰氧、锶钌氧、铟锡氧化物、氟锡氧化物、铝锌氧化物等金属氧化物，以及石墨烯、碳纳米管等中的一种或两种以上的混合。透明电极可以选择ITO，FTO，AZO，碳纳米管和石墨烯薄膜。

所述顶电极和底电极的形态不限，一般选择为薄膜状态，作为优选，薄膜厚度分别为10纳米到300纳米之间。

所述的顶电极和底电极可以是柔性电极，例如Ti、Al、Cu、碳纳米管、石墨烯薄膜等柔性电极。

所述介质层与顶电极和/或底电极构成肖特基接触，其材料不限，可选自氧化锌、氧化铪、氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化铝等中的一种或两种以上的混合材料。

所述介质层厚度优选为5纳米到500纳米之间。

所述光电信息转换元件还包括衬底，所述底电极位于衬底上，介质层位于底电极上，顶电极位于介质层上。

所述衬底可以为透明衬底，例如可以选自蓝宝石、PES、PDMS、PET等中的一种或两种以上的混合材料；也可以为柔性衬底，从而得到柔性的光电信息转换元件，柔性衬底可以选择PET、PDMS、PES等中的一种或两种以上的混合材料；也可是为柔性透明衬底，从而使光电信息转换元件兼具有柔性和透明的特性。

作为优选，当光照射所述光电信息转换元件时，元件电阻降低，降低幅度与光强度有关，即当照射光强度不同时元件电阻不同，也就是说元件电阻受照射光强度的调控。一般而言，照射光强度越大，元件电阻越低。

作为优选，当光照射所述光电信息转换元件时，元件电阻降低，降低幅度与光波长有关，即当照射光波长不同时元件电阻不同，也就是说元件电阻受照射光波长的调控。一般而言，照射光波长越长，元件电阻越高。

综上所述，本发明的光电信息转换元件具有如下有益效果：

1、本发明的光电信息转换元件包括顶电极、介质层与底电极，其中介质层与底电极、顶电极中的至少一个电极构成肖特基结，利用肖特基结的结构特征，当对该元件依次进行光照射、撤销光照射、施加电信号时，元件具有如下转变效应：

(1)由于电极的功函数大于介质层材料的功函数，从而在界面处形成势垒；当光照射到该元件时，结区内缺陷处俘获的电子被激发，留下带正电的空位，增加了能级弯曲程度，从而使界面处势垒变薄，电子更容易穿过势垒，电阻减小。

(2)当撤掉光照射之后，空穴不会主动从缺陷处迁出，所以该电导增加具有可持续性，即该元件的光电转换效应具有可持续性。

(3)当对该元件施加一定电压时，电子被注入到界面带正电空位处，使肖特基结界面处能带弯曲程度降低，宽度增加，势垒恢复到初始状态，同时元件电流减小，电阻增大。

即，本发明的光电信息转换元件一方面能够利用光生载流子对介质层与电极界面处肖特基结特性进行调控，从而持续改变元件电阻，优选地，通过照射光的强度和/或波长的变化，能够对元件电阻进行调控；另一方面，通过施加一定的电压又能通过电子注入恢复界面处势垒宽度，从而使元件电阻恢复到初始状态。

2、利用上述转变效应，本发明的光电信息转换元件可应用于光探测器、智能感光器、非易失性存储器、光信息解码(或编码)器以及光信号运算器器等诸多领域。

所述智能感光器用途不限，例如可用于相机感光部分，对感受光信号进行运算及存储的过程中等。

所述非易失性存储器用途不限，例如可用于“光写入”“电擦出”的非易失性存储。

所述光信息解码(或编码)器用途不限，例如可用于将光所携带的波长，强度信息编码(或解码)为电信息等。

所述光信号运算器用途不限，例如可用于光信号处理等。

附图说明

图1是本发明实施例1的光电信息转换元件的结构示意图；

图2是本发明实施例1的光电信息转换元件在无光照射、光照射、撤销光照射后施加电信号的条件下的电流-电压曲线；

图3(a)是本发明实施例1的光电信息转换元件在三种不同光强度的宽谱可见光脉冲照射条件下的电阻转变特性对比图；

图3(b)是本发明实施例1的光电信息转换元件在相同强度、不同波长的红、绿、蓝光脉冲照射条件下的电阻转变特性对比图；

图4(a)是本发明实施例1的光电信息转换元件在三种不同光强度的宽谱可见光脉冲照射条件下的电阻转变用于多态信息存储的时间保持性；

图4(b)是本发明实施例1的光电信息转换元件在三种不同光波长的光脉冲照射条件下的电阻转变用于多态信息存储的循环特性；

图5(a)是本发明实施例1的光电信息转换元件在多个光脉冲刺激下的电流线性变化；

图5(b)是本发明实施例1的光电信息转换元件用于光信号计数器和加法器的示意图；

图6(a)是利用本发明实施例1的光电信息转换元件在四种不同光信号照射下的电阻状态；

图6(b)是利用图6(a)所示的电阻对光信息的解调与存储。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，光电信息转换元件的结构如图1所示，包括衬底，底电极，介质层以及顶电极。底电极位于衬底上，介质层位于底电极与顶电极之间。

本实施例中，衬底采用Si衬底；底电极采用金属铝；介质层采用氧化铈薄膜，厚度优选20-30nm；顶电极采用ITO薄膜，其厚度为100um。

本实施例中，采用镀膜的方法制备该光电信息转换元件，包括如下步骤：

(1)将Si衬底分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干，然后放入电子束蒸发系统真空腔体中，利用电子束蒸发系统在Si衬底表面沉积一层金属铝作为底电极；

(2)将表面沉积金属铝底电极的Si衬底放入磁控溅射真空腔体中，在氩氧比为2:1，气压为1Pa的气氛中，以铈为靶材，用溅射的方法沉积一层厚度约为20nm-30nm的氧化铈薄膜，溅射功率为60W；

(3)在长好氧化铈薄膜的表面利用脉冲激光沉积系统沉积一层直径为100um的ITO顶电极。

利用Keithley 4200半导体参数测量仪对该光电信息转换元件的光电转换性质进行如下(一)、(二)与(三)表征。利用卤素灯和红、绿、蓝三色滤光片作为光学刺激和信号光源。

(一)对该元件依次进行无光照射、光照射、撤销光照射、施加电信号

结果如图2所示，从图2中可以看出：

(1)初始时，无光照，元件I-V特性如图2中分支1所示，正向电流小于负向电流，具有明显的整流特性，呈现非对称的I-V曲线；

(2)当用60pW/μm²的白光照射该元件20秒后撤掉光照，元件I-V特性如图2中分支2所示，从中可以看出，元件电流增加，并且整流比减小；

(3)撤销光照射，在元件顶电极施加-3V的电压脉冲后，元件I-V特性如图2中分支3所示，即元件I-V特性又恢复到初始时的I-V特性。

上述结果表明该元件具有持续光电导特性，即光照可改变元件电阻，并且可利用反向电压将电阻恢复至初始态。

该元件的上述光电转换性质的进行解释如下：

该光电信息转换元件中ITO/CeO_2-x/Al结构形成一个肖特基结，由于Al的功函数大于氧化铈的功函数，从而使电子更易从ITO顶电极流向Al底电极，而且在CeO_2-x/Al界面处形成一层绝缘氧化铝层以减小漏电流；

当光照射到该元件时，氧化铈与铝界面处结区被俘获的电子被激发，留下带正电的空位，使该界面处能带更加弯曲，进而使肖特基势垒变薄，这样电子较易从Al电极流向ITO，从I-V曲线上体现出该元件整流比减小，电流增加，电阻减小；

当撤掉光照之后，带正电的空位是稳态，不会与电子自动复合，所以该元件的电导增加具有可持续性；

当在ITO顶电极施加一负电压时，电子被注入到界面处，与界面处正电空位在外加电压下复合，使氧化铈与铝界面处能带弯曲程度降低，势垒恢复到初始状态，同时元件电流减小，电阻增大。

(二)对该元件进行不同强度的光脉冲照射、不同波长的光脉冲照射

采用宽谱可见光照射该元件，调节光照强度，如图3(a)所示为该元件在三种不同光强度的宽谱可见光脉冲照射条件下的电阻转变特性，从中可以看出：不同强度的光脉冲照射后，元件电阻均减小，由“高阻态”转变为“低阻态”；不同强度的光脉冲对该元件的电阻产生不同程度的调控；并且，无光脉冲照射时，元件继续保持在“低阻态”。

采用不用波长的红、绿、蓝光脉冲照射该元件，各种照射光脉冲的强度相同，如图3(b)所示为该元件在三种不同波长的光脉冲照射条件下的电阻转变特性，从中可以看出：不同波长的光脉冲照射后，元件电阻均减小，由“高阻态”转变为“低阻态”；不同波长的光脉冲对该元件的电阻产生不同程度的调控；并且，无光脉冲照射时，元件继续保持在“低阻态”。

(三)对该元件进行光照射，该照射光的波长在可见光波段发生变化

对该元件进行光照射，该照射光的波长在可见光波段发生变化。结果显示，该元件在可见光波段都有光吸收现象，因此不同波长的光对该元件的电阻会产生不同程度的调控。即，该元件是一种宽谱效应的光电信息转换元件。

综合上述(一)、(二)与(三)可以看出，该元件是一种宽谱响应，可持续性的光电信息转换元件。

因此，该光电信息转换元件可应用于光探测器、智能感光器、非易失性存储器、光信息运算器以及光信息解码(或编码)器等。

例如，该光电信息转换元件具有光电转换效应，因此可应用于光探测器、智能感光器，并且该光电转换效应是非易失性的，具有持续性，因此可应用于可持续的光探测器。

由于该器件对可见光波段具有持续性响应，故可用于智能感光元件，将探测到的光信息同时进行存储。

利用不同强度或/和波长的光可实现多态“光写入”、“电擦除”非易失性存储器，同时也具有优异的时间保持性和稳定的循环特性，如图4(a)和4(b)所示。图4(a)是本实施例1的光电信息转换元件在如图3(a)中所示的三种不同光强度的宽谱可见光脉冲照射条件下的电阻转变用于多态信息存储的时间保持性。图4(b)是本实施例1的光电信息转换元件在如图3(b)中所示的三种不同光波长的光脉冲照射条件下的电阻转变用于多态信息存储的循环特性。

利用电流对光脉冲的持续性响应，可以得出电流随光脉冲数量的线性变化关系，利用该线性关系，可用于光信号的计数器和加法器，即输入一定数量的光脉冲信号，通过电流值可以读出光脉冲信号的个数。例如，电流随光脉冲数量的线性变化如图5(a)所示，该线性关系为：电流＝4×个数-1.4，当读出电流为29.6皮安时，利用该线性关系可计算出光脉冲个数为8，即实现了对光信号的计数。同理，也可实现加法计算，如图5(b)所示，若计算7+9，先输入7个光脉冲，再输入9个光脉冲，得出电流为63.4皮安，带入上述公示，得出结果为16，即实现了加法计算。

另外，利用光的强度和波长同时作为信息的载体，该元件可实现光信息的解调和存储。如图6(a)所示是利用绿光和蓝光以及高强度和低强度组成的四束光照射该光电信息转换元件时的元件电阻状态。利用该绿光和蓝光以及高强度和低强度作为二位二进制信息，该电阻状态作为解调和存储信息，根据美国标准信息交换码(ASCII)选取四束光对光信号进行解调与存储，图5(b)为“NIMTE”信号的解调与存储。

实施例2：

本实施例中，光电信息转换元件的结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是介质层采用氧化锌薄膜代替实施例1中的氧化铈薄膜。

本实施例中，该光电信息转换元件的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是在步骤(2)中，溅射沉积氧化锌薄膜。

利用Keithley 4200半导体参数测量仪对该光电信息转换元件的光电转换性质进行表征，表征方法与实施例1中的表征方法相同。结果表明该元件具有持续光电导特性，即光照可改变元件电阻，并且可利用反向电压将电阻恢复至初始态。因此，该元件是一种宽谱响应，可持续性的光电信息转换元件。

类似实施例1中所述，该光电信息转换元件可应用于光探测器、智能感光器、非易失性存储器、光信息运算器以及光信息解码(或编码)器等。

上述实施例对本发明技术方案进行了系统详细的说明，应理解的是上所述实例仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光电信息转换元件，其特征是：包括底电极、顶电极以及位于底电极与顶电极之间的介质层；

底电极、顶电极中至少一个电极是透明的；

底电极、顶电极中至少一个电极与介质层的界面接触为肖特基接触；

所述光电信息转换元件依次在无光照射、光照射、撤销光照射、施加电信号的条件下，阻态变化如下：

无光照射时，所述光电信息转换元件电阻为初始电阻，呈高阻态；

当光通过透明电极照射到所述光电信息转换元件时，元件电阻状态发生转变，从高阻态转变为低阻态；

撤销光照射后，所述光电信息转换元件保持在低阻态；

对所述光电信息转换元件施加电压，该元件电阻恢复为高阻态；

调节照射光强度或者波长，所述光电信息转换元件的电阻变化。

2.如权利要求1所述的光电信息转换元件，其特征是：所述顶电极和底电极材料分别选自金属、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管中的一种或两种以上的混合。

3.如权利要求2所述的光电信息转换元件，其特征是：所述顶电极和底电极材料分别选自铝、银、镍、铁、铂、金、铜、掺铌钛酸锶、镧锶锰氧、锶钌氧、铟锡氧化物、氟锡氧化物、铝锌氧化物、石墨烯、碳纳米管中的一种或者两种以上的混合材料。

4.如权利要求1所述的光电信息转换元件，其特征是：所述介质层选自氧化锌、氧化铪、氧化硅、氧化钛、氧化铈、氧化铝中的一种或两种以上的混合材料。

5.如权利要求4所述的光电信息转换元件，其特征是：所述光电信息转换元件还包括衬底，所述底电极位于衬底上，介质层位于底电极上，顶电极位于介质层上。

6.一种光探测器，包括权利要求1至5中任一权利要求所述的光电信息转换元件。

7.一种智能感光器，包括权利要求1至5中任一权利要求所述的光电信息转换元件。

8.一种非易失性存储器，包括权利要求1至5中任一权利要求所述的光电信息转换元件。

9.一种光信息解码或编码器，包括权利要求1至5中任一权利要求所述的光电信息转换元件。

10.一种光信号运算器，包括权利要求1至5中任一权利要求所述的光电信息转换元件。