CN110797461A - 一种基于GaN极化场的位置传感器、制备方法及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于GaN极化场的位置传感器，包括一维条状结构GaN基片、位于所述GaN基片Ga面两端部的电极、位于所述GaN基片Ga面上的CuPc有机半导体层和透明电极；所述两端的电极之间形成沟道，所述GaN基片的Ga面与CuPc有机半导体层界面形成极化电场；所述金属电极与CuPc有机半导体层和透明电极不接触。与传统的利用PN结或肖特基的内场电场来驱动光电位置传感器不同，这里采用GaN自发极化产生的极化电场来驱动光电位置传感器工作，该电场更大且更稳定，同时，利用有机半导体作为光敏层，制备工艺简单，成本更低，结合GaN自发极化，可使有机半导体内的光电转换效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及光电位置传感器领域，具体是一种基于GaN极化场的位置传感器、制备方法及检测方法。
背景技术
由于内光电效应的光斑位置传感器可连续跟踪检测光斑位置且不存在盲区，因此在工业、军事等领域有着非常广泛的应用，例如原子力显微镜中的悬臂位移检测、机器视觉、机械准直等高精密测量。
由分离的单元构成的阵列图像传感器也可用于位置传感，但需要对每个阵列单元引出电极，导致电路相当复杂，同时，当光斑落在每个单元间的间隙时，导致该类位移传感器失效，形成盲区。而现有的商业化硅基光电位置传感器可看成单一器件，电路简单，使得相应的制备工艺和成本大幅下降；同时，单个器件意味着连续性，使之对光斑的跟踪具备连续性；另外，光电位置传感器对光斑的面积不敏感，只对其能量中心敏感，具有更好的灵敏度，使该器件可用于时实跟踪固定目标。
目前的位置传感器主要基于器件的横向光电效应，即器件在光照下产生的激子，受器件垂直方向的电场作用下，光生电子-空穴对实现分离，并分别向器件顶部与底部运动，导致水平方向光照区与非光照区产生存在着非平衡载流子的不均匀，使光生载流子向周围扩散，由顶部或底部的电极收集相应的电子或空穴，由于光照位置与各电极的距离不一样，之间的电阻也不同，使各电极收集的电流与光斑位置存在关联，实现对光斑位置的检测。
目前相关的研究发现，使用二维材料和有机材料，也可以实现光斑位置传感，但与商用的硅基器件一样，其原理基于器件内部PN结或肖特基产生的电场，器件的制备需要构建多层结构，因此，相应的器件制备需较多的步骤，也导致商用器件的成本较高，其内建电场较小导致光电转换效率不高，特别是有机半导体材料，其激子的束缚能可达1eV，需要非常大的电场(50-70MV/m)。而以GaN为代表的极性半导体却可以产生非常强的垂直于表面的电场，这对光电位置传感器有着非常重要的应用价值。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种基于GaN极化场的位置传感器，包括一维条状结构GaN基片、位于所述GaN基片Ga面两端部的电极、位于所述GaN基片Ga面上的CuPc有机半导体层和透明电极；所述金属电极与CuPc有机半导体层和透明电极不接触，所述GaN基片的Ga面与CuPc有机半导体层界面形成极化电场以使得光斑照射时两端部的金属电极形成不同的横向电流。
优选的，所述基片长度为20-40mm，宽度为1-5mm。
优选的，所述两端部的电极与所述CuPc有机半导体层间距为1-3mm。
优选的，所述两端部的电极间距为20-30mm，宽度为1-5mm。
优选的，所述CuPc有机半导体层长度L为15-20mm，厚度为80-120mm。
由于Ga面GaN具备非常大的自发极化并产生很大的极化电场，利用这一电场实现提升垂直方向有机半导体内部光生激子的分离，继而产生与激光光斑位置相关的横向光电响应，实现对处于敏感波长的光斑位置的检测与连续监控，由于有机光敏半导体材料容易制备，可大面积制备、吸收系数高、柔性可弯曲特性等，有利于实现低成本大面积制备位置传感器，而GaN极化电场的引入可进一步简化器件结构，提升有机光电转换效率。
基于上述位置传感器的优点，本发明还提供一种基于GaN极化场的一维有机光电位置传感器制备方法，包括
S1:将Ga面的GaN基片切割成一维条状结构，依次用丙酮、异丙醇、去离子水清洗并氮气吹干；
S2:将电极蒸镀在GaN基片Ga面的两端部；
S3:在所述GaN基片Ga面上蒸镀与金属电极不接触的CuPc有机半导体层；
S4:在所述CuPc有机半导体层上镀透明电极。
优选的，所述S1丙酮、异丙醇、去离子水清洗时间分别为10-20min。
优选的，所述S2或与S3蒸镀方式为利用掩膜板、电子束蒸发或热蒸发将电极镀在条状衬底的两端部。
优选的，所述S4镀透明电极方式为磁控溅射。
本发明还提供一种位置检测方法，采用上述传感器或上述方法制备的传感器，实施如下步骤：
S1:光斑照射所述传感器表面使CuPc有机半导体层与GaN界面电子与空穴分离，电子向两端部电极运动形成不同电流；
S2：分别检测流向两端部电极的电流I1和I2；
S3：采用x＝(I1-I2)L/2(I1+I2)计算光斑偏移器件中心位移x。
优选的，所述光斑波长为400-600nm，尺寸为0.5-1mm。与传统的利用PN结或肖特基的内场电场来驱动光电位置传感器不同，这里采用GaN自发极化产生的极化电场来驱动光电位置传感器工作，该电场更大且更稳定，同时，利用有机半导体作为光敏层，制备工艺简单，成本更低，结合GaN自发极化，可使有机半导体内的光电转换效率更高。
附图说明
图1为本发明实施例的器件结构示意图
GaN基片1，多层金属电极2，CuPc有机半导体层3，透明电极4，光斑5
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以使本发明的特点与功能更易于被本领域人员所理解，但本发明并不限于以下实施例。
实施例：
本实施例提供一种基于GaN极化场的一维有机光电位置传感器，如图1所示，器件结构包括一维条状结构GaN基片，基片长度为25mm，宽度为2mm。GaN自发极化产生了Ga面极化电场，GaN基片的Ga面两端部镀有厚度为100mm的多层金属电极，GaN基片Ga面上镀有CuPc有机半导体层和透明电极，CuPc有机半导体层长度L为18mm，厚度为100mm，多层金属电极与CuPc有机半导体层间距为1-3mm。两端的多层金属电极之间形成沟道，沟道长度为22mm，宽度为2mm，GaN基片的Ga面与CuPc有机半导体层界面形成极化电场，多层金属电极与CuPc有机半导体层和透明电极不接触。
本实施例还提供一种基于GaN极化场的一维有机光电位置传感器制备方法，首先将Ga面的GaN基片1切割成一维条件结构，长为25mmm，宽为2mm，用丙酮试剂超声清洗15分钟，再用异丙醇超声清洗15分钟，除去表面的有机污染物，并用去离子水清洗15分钟，然后用高压氮气吹干衬底表面。
利用掩膜板和电子束蒸发或热蒸发将多层金属电极2，镀在条状衬底的两端，总厚度为100nm，中间的沟道长度为22mm，宽为2mm。
进一步利用热蒸发和掩膜板沟道中间的GaN上生长100nm的CuPc有机半导体层3，半导体层与两侧金属电极2不接触，间隙均为2mm，总长度L为18mm。
利用同一个掩膜板，采用磁控溅射工艺在半导体层上方镀上ITO透明电极4，厚度为100nm。
本实施例还提供了一种使用有机光电位置传感器检测位置的方法：采用532nm的激光作为光源，光斑尺寸为1微米，在暗条件下，器件处于热平衡状态，532nm激光光斑5照射器件表面某处，有机半导体层吸收光子后，产生束缚能很强的激子，处在CuPc/GaN界面附件的激子在极化电场的作用下分离成电子与空穴，在电场的作用下，空穴往ITO电极运动并被收集，电子进入到GaN表面，并往两侧电极扩散运动，被两侧电极分别收集，在图1所示的电路中，当光斑不处在器件中间时，两侧的电极收集的电流不相等，分别为I1和I2，那么光斑偏离中间点的位移x＝(I1-I2)L/2(I1+I2)，因此，通过该光电响应与位移的关系，将光源固定在观测物，观测物引起的形变或机械运动，均可通过该光电位置传感器，检测光斑的位置，实现对观测物的实时监控。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，通过改变某个区域厚度、有机半导体或掺杂浓度，改变横向结构的位置和名称，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于GaN极化场的位置传感器，其特征在于：包括一维条状结构GaN基片、位于所述GaN基片Ga面两端部的电极、位于所述GaN基片Ga面上的CuPc有机半导体层和透明电极；所述金属电极与CuPc有机半导体层和透明电极不接触，所述GaN基片的Ga面与CuPc有机半导体层界面形成极化电场以使得光斑照射时两端部的金属电极形成不同的横向电流。
2.如权利要求1所述的基于GaN极化场的位置传感器制备方法，其特征在于：所述基片长度为20-40mm，宽度为1-5mm。
3.如权利要求1所述的基于GaN极化场的位置传感器制备方法，其特征在于：所述两端部的电极厚度为80-120nm；所述两端部的电极与所述CuPc有机半导体层间距为1-3mm。
4.如权利要求1所述的基于GaN极化场的位置传感器制备方法，其特征在于：所述两端部的电极间距为20-30mm，宽度为1-5mm。
5.如权利要求1所述的基于GaN极化场的位置传感器制备方法，其特征在于：所述CuPc有机半导体层长度L为15-30mm，厚度为80-120mm。
6.一种如权利要求1-5所述传感器的制备方法，其特征在于：包括
S1:将Ga面的GaN基片切割成一维条状结构，依次用丙酮、异丙醇、去离子水清洗并氮气吹干；
S2:将电极蒸镀在GaN基片Ga面的两端部；
S3:在所述GaN基片Ga面上蒸镀与金属电极不接触的CuPc有机半导体层；
S4:在所述CuPc有机半导体层上镀透明电极。
7.如权利要求6所述的传感器制备方法，其特征在于：所述S1丙酮、异丙醇、去离子水清洗时间分别为10-20min。
8.如权利要求6所述的传感器制备方法，其特征在于：所述S2或/与S3蒸镀方式为利用掩膜板、电子束蒸发或热蒸发将电极镀在条状衬底的两端部。
9.如权利要求6所述的传感器制备方法，其特征在于：所述S4镀透明电极方式为磁控溅射。
10.一种位置检测方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一所述传感器或6-9任一所述制备方法制备的传感器，实施如下步骤：
S1:光斑照射所述传感器表面使CuPc有机半导体层与GaN界面电子与空穴分离，电子向两端部电极运动形成不同电流；
S2：分别检测流向两端部电极的电流I1和I2；
S3：采用x＝(I1-I2)L/2(I1+I2)计算光斑偏移器件中心位移x。
11.如权利要求10所述的一种使用有机光电位置传感器检测位置的方法，其特征在于：所述光斑波长为400-600nm，尺寸为0.5-1mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20230417 Address after: No. 1088, Xueyuan Avenue, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: Southern University of Science and Technology Address before: Taizhou building, 1088 Xueyuan Avenue, Xili University Town, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Applicant before: SHENZHEN THIRD GENERATION SEMICONDUCTOR Research Institute |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200214 |
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