CN110870298B - 光电设备、用于抑制光电设备的噪声的方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电设备，其包括：光电器件，该光电器件包括：包括二维层的传输结构(T)；光敏结构(P)，其被配置和布置为吸收入射光并引起传输结构(T)的电导率方面的变化；电连接至传输结构(T)的相应的分开的位置的漏极(D)和源极(S)；噪声抑制装置，其包括调制单元，该调制单元包括：控制单元，其生成具有频率为ωm/2π的分量的电压振荡信号并将其施加到漏极(D)或源极(S)上；以及信号提取单元，其用于从输出信号中提取所需的电信号，其中没有低于ωm/2π的分量。本发明还涉及一种用于抑制根据本发明的光电设备的噪声的方法，并且涉及一种将该设备作为光检测器或图像传感器的用途。

Description

光电设备、用于抑制光电设备的噪声的方法及其用途
技术领域
本发明在第一方面涉及一种光电设备，该光电设备包括具有调制机构的噪声抑制装置，该调制机构在设备本身的光电器件上操作，而无需使用外部调制机构。
本发明的第二方面涉及一种用于抑制根据本发明的第一方面的光电设备的噪声的方法。
本发明的第三方面涉及一种将根据本发明的第一方面的光电设备作为光检测器或图像传感器的用途。
背景技术
诸如光检测器之类的光电设备，其包括本发明权利要求1的前序部分的特征，在本领域中是已知的，即，包括光电器件的那些光电设备，该光电器件包括：
-包括至少一个二维层的传输结构；
-光敏结构，其配置和布置为吸收入射光并引起传输结构的电导率方面的变化；以及
-漏极和源极，所述漏极和源极电连接至所述传输结构的相应的分开的位置。
几种噪声源会对这类设备的性能产生负面影响，导致较高的噪声等效辐照度或噪声等效功率，这使它们无法检测到低水平的光线水平。
为了降低所述噪声，在现有技术中已知将光电设备集成到更宽泛的系统中，这些系统已经包括外部噪声抑制装置，该外部噪声抑制装置包括在光电设备外部的调制部件，其通常由光学斩波器和锁相放大器形成。
包括所述外部调制部件具有若干缺点，诸如，其中，最终产品的成本和尺寸增加；由于需要以同步的方式控制更多的部件，所以其操作所需的控制的复杂性增加；功耗增加、更多的热和电损耗等。
所有上述缺点限制了可以使用所述光电设备的可能应用。
而且，就噪声降低而言，可以改善用所述外部噪声抑制装置获得的结果。
Liu等人在Nature(2011)中的“A graphene-based broadband opticalmodulator”公开了一种基于石墨烯的调制器(快门)，其中，与上述类型的光电设备相比，光在2维材料(即石墨烯)中被吸收，并且其除了与上述光电设备的其他区别外，还限制了它们用作针对不能竖向入射的光的光检测器的用途，即它们不能用作图像传感器。
因此，有必要通过提供一种如下所述的光电设备来提供覆盖所发现的缺陷的现有技术的替代方案，所述光电设备包括如上所述的光电器件(即，其中二维层不用于吸收光)，但是其不具有与使用外部噪声抑制装置的需求有关的上述缺点。
发明内容
为此，本发明在第一方面涉及一种光电设备，其包括光电器件，该光电器件以已知方式包括：
-包括至少一个二维层的传输结构；
-光敏结构，其配置和布置为吸收入射光并引起传输结构的电导率方面的变化；以及
-漏极和源极，所述漏极和源极电连接至所述传输结构的相应的分开的位置。
与现有技术中已知的设备相比，本发明的设备还以特征的方式包括噪声抑制装置，该噪声抑制装置包括调制单元，该调制单元包括：
-控制单元，其包括电压发生器并且被配置为生成具有频率为ωm/2π(即，fm)的至少一个分量的时间相关的电压振荡信号，并将该信号至少施加到上述漏极和源极中的一者上；以及
-信号提取单元，其被配置为当光入射到光敏结构上时从在形成于传输结构中且位于源极与漏极之间的沟道处生成的输出电信号提取所需的电信号，所述信号提取单元适于将所述输出电信号中的处于ωm/2π(即fm)以下的频率处的至少那些分量切掉，以提供所述所需的电信号。
根据本发明，优选使用较高的调制频率fm，因为如下所述，1/f噪声是要抑制的主要噪声。因此，在较高的调制频率处噪声抑制更强。
对于一些实施方式，fm的适当值是在50Hz以上直至100MHz的值。
对于优选实施方式，上述介电结构包括一个或更多个介电层，和/或上述光敏结构包括一个或更多个光敏层。
在本发明的上下文中，光敏结构被配置和布置为吸收入射光并引起传输结构的电导率方面的变化是指这样的事实：即光敏结构中的光吸收导致传输结构内部的电荷载流子密度改变。
例如，这可能是由于以下过程引起的：
来自在光敏结构中通过吸收光子而产生的电子-空穴对的电子(或空穴)可以被转移到传输结构，同时所述电子-空穴对的空穴(或电子)仍保持被捕获在光敏结构中，或在光敏结构与传输结构之间的界面中，诸如例如在它们之间的介电结构中。在一些实施方式中，光敏结构设置在传输结构之上，诸如例如在传输结构正上方。可替代地，在一些其他实施方式中，光敏结构设置在传输结构之下，诸如例如在传输结构正下方，使得光子必须在到达将吸收它的光敏结构之前穿过传输结构。
可替代地，光敏结构中的光吸收导致在光敏结构的表面附近的复合电荷。这将电荷吸入到传输结构包括的二维层中，从而改变了其导电性。
从这个意义上说，由光敏结构和传输结构形成的异质结减慢了复合，并且可以为单个吸收的光子收集若干电载流子，这与传输结构中包含的二维材料的高载流子迁移率相结合，导致非常高的光导增益和响应度。
在一些实施方式中，光敏结构包括光吸收半导体、二维材料、聚合物、染料、量子点(诸如例如胶体量子点)、铁电体、钙钛矿和/或其组合。
光敏结构可以例如包括纳米复合膜，该纳米复合膜包含上述材料的混合物。它也可以是单层结构，或者可替代地，也可以是多层结构，在该多层结构中一种或多种上述材料构成彼此叠置的不同层。
在光敏结构包含量子点的那些实施方式中，这些量子点优选地是以下类型中的一者或更多者：Ag2S、Bi2S3、CdS、CdSe、CdHgTe、Cu2S、CIS(铜铟二硫化物)、CIGS(铜铟镓硒化物)、CZTS(铜锌锡硫化物)、Ge、HgTe、InAs、InSb、ITO(铟锡氧化物)、PbS、PbSe、Si、SnO2、ZnO和ZnS。
类似地，在一些实施方式中，包括在传输结构中的至少一种二维材料包括以下材料中的一者或更多者：石墨烯，MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、黑磷、SnS2、Pb5Sn3Sb2S14(辉锑锡铅矿)和h-BN(六方氮化硼)。
对于一些实施方式，至少对于下面将详细描述的第一、第二和第三实施方式(不适用于下面描述的第四实施方式)，光电器件还包括导电的第一栅极结构和布置在导电的第一栅极结构与传输结构之间的介电结构，并且控制单元被配置为在导电的第一栅极结构与漏极和源极中的至少一者(优选为漏极)之间施加上述时间相关的电压振荡信号。
对于优选实施方式，所述导电的第一栅极结构是导电的底栅极结构，然而，可选地，对于次优选实施方式，所述导电的第一栅极结构是导电的顶栅极结构。
根据第一实施方式，光电器件还包括电连接至光敏结构的另一电极，并且控制单元被配置为生成具有频率为ωm/2π(即，fm)的至少一个分量的另一时间相关的电压振荡信号，并且在施加该电压振荡信号的同时，将所述另一时间相关的电压振荡信号施加在该另一电极与漏极和源极中的一者(优选为漏极)之间。该时间相关的电压振荡信号与该另一时间相关的电压振荡信号之间的相位可以被控制。
对于第二实施方式，光电器件还包括布置在光敏结构之上的另一介电结构和布置在该另一介电结构之上的导电的第二栅极结构，并且控制单元被配置为生成具有频率为ωm/2π(即，fm)的至少一个分量的另一时间相关的电压振荡信号，并且在将该时间相关的电压振荡信号施加在导电的第一栅极结构与漏极和源极中的一者(优选为漏极)之间的同时，将所述另一时间相关的电压振荡信号施加在导电的第二栅极结构与漏极和源极中的一者(优选为漏极)之间。该时间相关的电压振荡信号与该另一时间相关的电压振荡信号之间的相位可以被控制。
对于优选实施方式，所述导电的第二栅极结构是导电的顶栅极结构，然而，可选地，对于次优选实施方式，导电的第二栅极结构是导电的底栅极结构。
对于所述第一实施方式和第二实施方式的一些实现，控制单元被配置为生成上述时间相关的电压振荡信号和另一时间相关的电压振荡信号，以使在形成于传输结构中的沟道处的电荷载流子密度保持基本恒定。
优选地，控制单元被配置为生成时间相关的电压振荡信号和另一时间相关的电压振荡信号，使得它们在由控制单元选择的最大电压值与最小电压值之间振荡，以实现上述使形成于传输结构中的沟道的电荷载流子密度保持基本恒定的目标，同时将光电器件的响应度(例如，通过调节从光敏结构到传输结构的电荷转移的量子效率)从在所述最大电压值处的有限值(通常是响应度最大时)调节至在所述最小电压值处的零，以及从在所述最小电压值处的零调节至在所述最大电压值处的有限值。
对于第一实施方式和第二实施方式的特定情况，该电压振荡信号与该另一电压振荡信号相移达180°。
以上提到的该时间相关的电压振荡信号和该另一时间相关的电压振荡信号的实施方式都覆盖任何种类的周期信号，诸如正弦信号、方脉冲波、三角波之类。
对于第三实施方式，至少一个二维层由石墨烯制成，并且控制单元被配置为：将上述时间相关的电压振荡信号生成为使得所述时间相关的电压振荡信号在幅值方面相等或基本上相等但符号相反的并且由控制单元选择的最大电压值与最小电压值之间振荡，从而使得在至少为ωm/2π(即fm)的频率处、在最大电荷载流子密度值和最小电荷载流子密度值(+nm和-nm，其中可以自由选择nm)之间、在石墨烯的电荷中性点附近调制形成于传输结构中的沟道的电荷载流子密度，然后主要在频率ωm/π(即2fm)处调制石墨烯的层的电导率，同时当光入射到光敏结构上时，频率ωm/2π(即fm)处的分量增加。
对于所述第三实施方式的微小变化，当在形成于传输结构中的沟道中存在载流子密度偏移时，控制单元被配置为：将时间相关的电压振荡信号生成为使得其在最大电压值与最小电压值之间振荡，所述最大电压值和最小电压值相对于参考而言在幅值(即峰值幅值)方面是相等或基本上相等的而符号相同。
优选地，最大载流子密度值和最小载流子密度值具有相反的符号。
对于所述第三实施方式及其所述微小变化的实现，最大载流子密度值和最小载流子密度值的绝对值在幅值方面是相等或基本上相等的。
为了更详细地实施所述第三实施方式及其所述微小变化，该光电器件还包括：
-电连接至光敏结构的另一电极；或者
-布置在光敏结构上的另一介电结构以及布置在该另一介电结构之上的导电的第二栅极结构。
对于第三实施方式及其所述微小变化的所述更精细的实现，控制单元被配置为生成另一电压信号并将该另一电压信号施加到该另一电极或第二栅极结构，同时施加时间相关的电压振荡信号，使得光电器件的响应度保持恒定并保持在零以上，优选为最大值或基本上最大值。
为了补偿光电器件的响应度对施加在时间上的电压振荡信号或施加到导电的第一栅极结构的其他电压的依赖性，对于第三实施方式的所述更详细的实现的变体及其所述微小变化的变体，控制单元还包括用于补偿所述依赖性的补偿机构，所述补偿机构包括补偿电压源，该补偿电压源被配置为生成补偿电压并将该补偿电压施加到该另一电极或第二栅极结构。
上述第三实施方式及其微小变化不仅可以用于光电设备的噪声抑制，而且可以用于包括基于石墨烯的感测器件的非光电器件的噪声抑制，该基于石墨烯的感测器件依赖于要施加到器件的源极漏极偏压。任何依赖于感测电导系数(conductance)变化的基于石墨烯的感测器件都将受到1/f噪声的限制。然而，只要该设备至少包含以下元件，就可以通过实施第三实施方式中上述的方案来降低1/f噪声：
-导电的底栅极结构；
-布置在导电的底栅极结构之上的介电结构/层De；
-传输结构，其包括布置在介电结构De之上的一个或更多个二维石墨烯的层；
-漏极和源极，所述漏极和源极电连接至传输结构的相应的分开的位置。
依靠感测电导系数变化的基于石墨烯的感测器件可分为三类：纯石墨烯、改性石墨烯和功能化石墨烯。
在本申请中，纯石墨烯是指(多晶或单晶)单层石墨烯的连续片材，其可以通过不同方式被图案化以实现以下传感器：
·应变传感器：通过拉伸石墨烯可改变其电导系数。
·电荷传感器：例如，针对感测吸收的气体分子或感测神经元信号，感兴趣的分析物会将电荷转移到石墨烯，或者感应出电场以改变石墨烯的电导系数。另一应用是直接感测体内电信号。
·压力传感器：石墨烯放置在两个体积之间，并且在两个区域之间存在压力差时变形；这种变形引起电导系数的变化。
在本申请中，改性石墨烯是指经过结构或化学改性以实现以下传感器的石墨烯片材：
·应变传感器：通过拉伸石墨烯可改变其电导系数。
·温度传感器：温度差引起电导系数变化。
·使用化学键合的接头(linker)分子的生物传感器，其增强了对特定生物分子的选择性。当感兴趣的分子与接头结合时，它将电荷转移至石墨烯或在石墨烯中感应出电场。这改变了石墨烯的电导系数。
在本申请中，功能化石墨烯是指(多晶或单晶)石墨烯的连续片材，其通过对以下分析物中的一者敏感的物理吸附层而功能化：
·光：如在本文件的其他实施方式中所提及的，在光电器件中使用例如胶体量子点。
·具有物理吸附的接头分子的生物分子。当感兴趣的分子与接头结合时，它将电荷转移至石墨烯或在石墨烯中感应出电场。这改变了石墨烯的电导系数。
上述非光电设备构成了可以形成另一发明的另外的独立的方面。
本发明还包括第四实施方式，其中，控制单元被配置为：在源极与漏极之间施加时间相关的电压振荡信号，并将时间相关的电压振荡信号生成为使得其在较高值与较低值(即，低于所述较高值)之间振荡，其中在该较高值处，光电器件的响应度为零或基本上为零；在该较低值处，光电器件的响应度最大或基本上最大。换句话说，对于第四实施方式，通过调制源极漏极偏压来进行噪声抑制。
对于所述第四实施方式，至少一个二维层通常由石墨烯制成，然而也可以使用其他替代的二维材料，诸如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、黑磷、SnS2和Pb5Sn3Sb2Si4(辉锑锡铅矿)。
对于所述第四实施方式的实现，控制单元被配置为生成电压振荡信号，以使形成于传输结构中的沟道的电荷载流子密度保持基本恒定。
为了实现所述四个实施方式中的任何一种，信号提取单元还适于将输出电信号中的处于ωm/2π以上的频率处的那些分量切掉。
优选地，本发明的第一方面的光电设备除了包括信号提取单元之外还包括光信号提取单元，或者该光电设备包括由信号提取单元实现的光信号提取单元，该光信号提取单元适于从所需的电信号中提取光信号的幅值。
对于一些实施方式，本发明的第一方面的设备的器件的不同结构被布置(彼此叠置)在该器件所包括的基板上(之上或之下)。
对于一种实施方式，所述基板由诸如硅之类的半导体材料制成。
对于一种实施方式，所述基板是柔性和/或透明的基板。
本发明的第二方面涉及一种用于抑制根据本发明的第一方面的光电设备的噪声的方法，所述方法包括执行上述控制单元的操作，执行上述控制单元的操作包括计算上述时间相关的电压振荡信号，或者计算时间相关的电压振荡信号和另一时间相关的电压振荡信号；并且将这些信号施加到光电器件的相应电极和/或栅极结构上；以及上述信号提取单元从输出电信号提取所需的电信号的操作。
对于一种实施方式，针对本文件中描述的与光信号提取单元相关联的实施方式中的任一实施方式，本发明的第二方面的方法还包括执行以上指示的光信号提取单元的操作。
本发明的第三方面涉及将根据本发明的第一方面的光电设备作为光检测器或作为图像传感器的用途。
本发明应用于宽泛的光检测领域。任何基于包括二维材料的传输结构以及被配置和布置为吸收入射光并引起传输结构的电导率方面的变化的光敏结构的光检测器，都受益于本发明，因为它们能够检测较低的光水平，减小了检测器或传感器的噪声等效辐照度或噪声等效功率。
本发明可用于实现针对竖向入射光的光检测器，其包括图像传感器(线性或二维阵列)。
此外，本发明还可以用于距离感测应用，例如以光电接收器的形式，该光电接收器被布置为检测在物体上反射或由物体辐射的光。
本发明的其他应用包括环境光感测、LIDAR(Light Detection and Ranging oLaser Imaging Detection and Ranging，光检测和测距激光成像检测和测距)系统以及单像素光检测器。
附图说明
在下文中，将参考随附附图描述本发明的一些优选实施方式。仅出于说明目的提供它们，然而不限制本发明的范围。
图1通过设备的器件的示意性剖视图的视图(a)与包括器件和电子连接方案的设备的图(b)，示出了本发明的第一方面的光电设备的第一实施方式。
图2是示出如何使用VTD调节量子效率的曲线图(Nikitskiy等人，2016)。
图3是针对图1的第一实施方式提出的调制方案的示意图。
图4是示意性地示出了针对图1的第一实施方式获得的检测结果的曲线图，其以实线示出了当用恒定的光信号照射器件并且实现了如下所述的顶部电极和底栅调制时所得到的信号。以虚线绘制了带通滤波后得到的检测信号；为了清楚起见，信号经过了偏移。
图5是针对第二实施方式的本发明的第一方面的设备的光电器件的示意性剖视图。
图6是根据可用于第三和第四实施方式的布置的本发明的第一方面的设备的光电器件的示意性剖视图。
图7是针对第三实施方式提出的调制方案的示意图，以及光信号dR/R与器件的石墨烯的层中的载流子密度的函数关系曲线图，其中所描绘的箭头表示需要对载流子密度进行调制以实现针对第三实施方式的噪声抑制的范围。
图8示意性地示出了通过第三实施方式的设备在对如下所述对底栅进行调制时所获得的器件输出波形的不同图形表示。上面的曲线图示出了无光的输出信号，中间的曲线图示出了恒定照射的输出信号，并且下面的曲线图示出了带通滤波后恒定照射的输出信号。
图9是示出针对第三实施方式，本发明的设备的实际实施所获得的结果的曲线图，其将输出检测信号的FFT幅值与调制频率相关。
图10是示出针对第四实施方式，在50mW/m2的恒定辐照度下，本发明的设备的光电器件的响应度与源极漏极偏压的函数关系的图。
图11是针对图6所示的布置的替代布置的本发明的第一方面的设备的光电器件的示意性剖视图，但其也可用于第四实施方式。
图12示意性地示出了针对一种实施方式的由本发明的设备实现的完整读出链。
图13a示出了针对下面描述的实施方式1、2和3的一些实现，在图12的光信号提取单元处执行的相关双采样时序。
图13b示出了针对下面描述的实施方式4的一些实现，在图12的光信号提取单元处执行的相关双采样时序。
图14示出了针对使用相关双采样作为光信号提取方法的实施方式1和2的一些实现的实现图12的完整读出链的本发明的设备的示例实现。
图15是可用于实现实施方式3的噪声抑制方案的非光电设备的非光电器件的示意性剖视图。
图16示出了本发明要抑制的噪声的类型，其通过两个曲线图实现，这两个曲线图是针对包括图1、5、6和11中所示的器件结构中的任一者但是没有本发明的噪声抑制装置的光电设备，使用常规读出，在石墨烯量子点混合检测器上使用常规读出进行测量而获得的。曲线图(a)示出了在黑暗条件下获得的信号的时间轨迹，而曲线图(b)示出了所获得的噪声频谱。
图17示出了在用正弦波调制的0.4W/m2 1550nm照射下，根据图6制成的器件所获得的检测器信号。在曲线图(a)上，示出了在113Hz的正弦底栅调制下(VBD在偏移值3.07V附近振荡，其中最大3.211V且最小2.929V)使用根据实施方式3的噪声抑制技术获得的时间轨迹，而曲线图图(b)示出了在0V的恒定底栅极电压下使用常规读出获得的时间轨迹。使用相同的1.25Hz的读出带宽来获得这两个曲线图。
图18示出了针对为获得图17的曲线图而制造的同一检测器，使用实施方式3(a)的噪声抑制技术并且利用常规读出(b)的噪声等效辐照度的测量。利用噪声抑制技术，获得了80μW/m2的噪声等效辐照度，而利用常规读出，仅获得了10mW/m2。这是因子125的改进。图19示出了针对与图17和图18相同的检测器，根据实施方式3，在黑暗条件下在ωm/2π(即fm)处获得的信号的幅值与调制频率ωm/2π，fm的函数关系。将带通滤波器设置为在调制频率附近的1.25Hz的带宽。虚线是视觉的导向。
具体实施方式
在下文中，上面指定的第一、第二、第三和第四实施方式分别被称为实施方式1、2、3和4，并且将参照所附附图进行描述。
本发明要抑制的噪声的类型是1/f噪声。如现有技术出版物所述(Konstantatoset al.,Nature Nanotechnology 2012,Goossens et al.,Nature Photonics 2017)，现有技术的器件在结构上是本发明的器件，但没有受1/f噪声限制的噪声抑制装置。
在图16中针对一原型例示了这种类型的噪声，其中，在曲线(b)中，直线倾斜的斜率为1/f，表明1/f或闪烁噪声在光电设备的噪声中占主导地位。50Hz处的峰值是由测量设置引起的干扰。
实施方式1：通过底栅和顶接触调制实现的电子快门：
对于该实施方式，本发明的第一方面的光电设备的光电器件具有图1(a)所描绘的布置，即基板Sb，并且其上布置有：
-导电的底栅极结构Gb；
-布置在导电的底栅极结构Gb之上的介电结构/层De；
-传输结构T，其包括布置在介电结构De之上的一个或更多个二维层；
-光敏结构/层P(半导体光吸收体)，其布置在传输结构T之上，并且被配置和布置为吸收入射光并引起传输结构T的电导率方面的变化；
-电连接(欧姆接触或肖特基接触)至光敏结构P的顶部电极Et；以及
-漏极D和源极S，所述漏极和源极电连接至传输结构T的相应的分开的位置。
图1(b)示出了包括图1(a)的器件的光电设备，以及电子连接方案，包括在本发明的噪声抑制装置的调制单元中所包括的控制单元(未示出)的电压发生器VBD、VTD和VSD。
使用图2中所示的顶部电极电压VTD可以将图1(a)中所示的设备的量子效率从0％调节至大约80％，其中EQE表示外部量子效率，并且R表示响应度。
电荷载流子密度ng，以及由此的二维材料(即传输结构T)的沟道的电阻Rch可以通过顶部电极和底栅极进行调节：
顶部电极：nch＝CT*VTD/qe
底栅：nch＝CB ＊VBD/qe
其中CT和CB分别是指顶部电极Et和底栅Gb对于传输结构T的电容，nch是指二维材料沟道中的平均载流子密度，qe是指传输结构T的沟道中的电荷。
对于通过以下关系描述的电压VTD，2，VTD，1，VBD，2和VBD，1的组合，载流子密度和由此的Rch是恒定的：
CT/CB＝(VTD，2-VTD，1)/(VBD，2-VBD，1) (1)
现在，假设在VTD＝VTD，1处量子效率为0，在VTD＝VTD，2且VB＝VBD，2处量子效率最大，通过将VBD设置为VBD，1，由等式(1)给出，可以在两个操作点VTD，2，VBD，2和VTD，1，VBD，1之间进行切换，以在保持二维材料电阻恒定的同时调制器件的灵敏度。这种调制如图3所示。
为了实现所述调制，需要将相应的振荡信号施加到顶部电极Et和底栅极Gb，例如正弦信号(或任何其他周期信号方波脉冲、三角波等)：
·顶部电极：
Figure GDA0003042644120000151
·底栅：
Figure GDA0003042644120000152
现在，光信号应该出现在频率ωm处。
所述振荡信号VTD、VBD在先前的部分中分别被称为电压振荡信号和另一电压振荡信号，由本发明的控制单元的电压发生器生成。
本发明的第一方面的设备的调制单元包括信号提取单元，该信号提取单元被配置成当光入射到光敏结构P上时，从在形成于传输结构T中且位于源极S与漏极D之间的沟道处生成的输出电信号中提取所需的电信号，即实现对所述输出电信号的读出。
所述信号提取单元适于将输出信号中的处于ωm/2π以下的频率处的至少那些分量切掉，以提供所需的输出信号。这可以通过不同的方式实现：
·锁相放大器。
·fc<ωm/2π的高通滤波器(丢失相位信息)。
·fc1<ωm/2π和fc2>ωm/2π的带通滤波器(丢失相位信息)。
·后处理快速傅立叶变换，以硬件或软件实现(丢失相位信息)。
图4示出了针对实施方式1获得的检测结果，以实线示出了当图1的器件被恒定的光信号照射并且实现了如上所述的顶部电极和底栅调制时所得到的检测信号。用虚线绘制了带通滤波后所得到的检测信号；为了清楚起见，信号经过了偏移。尽管未在图4中示出，但为了清楚起见，所得到的检测信号还包括频率低于fm的噪声。带通滤波过滤了在fm以上的图示的噪声和在fm以下的未图示的噪声。
实施方式2：通过底栅和顶栅调制实现的电子快门：
对于该实施方式2，本发明的第一方面的光电设备的光电器件具有图5所描绘的布置，即，与图1的布置的不同之处如下的布置：代替了包括顶部电极，它包括通过另一介电结构Def而与光敏结构P隔离的顶栅Gt。
实施方式2的光电设备包括图5的器件和如图1(b)所示的电子连接方案，即，包括在本发明的噪声抑制装置的调制单元中包括的控制单元(未示出)的电压发生器VBD、VTD和VSD，但其中电压发生器VTD连接至顶栅Gt(而不是顶部电极Et)。
基于与实施方式1中所述相同的理由，使用待施加到顶栅Gt和底栅极Gb的各个振荡信号(电压振荡信号VTD和另一电压振荡信号VBD)，例如正弦信号(或者任何其他周期信号方波脉冲、三角波等)来实现调制：
·顶栅：
Figure GDA0003042644120000161
·底栅：
Figure GDA0003042644120000162
现在，光信号应该出现在频率ωm处。
读出和信号提取可以以与实施方式1中相同的方式来实现，即借助于本发明的第一方面的设备的调制单元的信号提取单元(未示出)来实现，当应用带通滤波时，提供与如图4所示的结果类似的结果。
实施方式3：使用底栅调制的噪声抑制：
对于该实施方式，本发明的第一方面的光电设备的光电器件具有图6所描绘的布置，即基板Sb，并且其上布置有：
-导电的底栅极结构Gb；
-布置在导电的底栅极结构Gb之上的介电结构/层De；
-传输结构T，其包括布置在介电结构De之上的一个或更多个二维石墨烯的层；
-光敏结构/层P(半导体光吸收体)，其布置在传输结构T之上，并且被配置和布置为吸收入射光并引起传输结构T的传导率方面的变化；以及
-漏极D和源极S，所述漏极和源极电连接至传输结构T的相应的分开的位置。
在这种情况下，本发明特别受益于石墨烯的双极性传导性质。
传输结构T的石墨烯沟道的传导率被描述为：
Figure GDA0003042644120000171
其中n*是石墨烯的剩余载流子密度，nch是石墨烯沟道中的平均载流子密度，e是电子电荷，且μ石墨烯的迁移率。当对底栅Gb进行调制时，可以为nch写出以下内容：
nch＝CB·Vm·Sinωmt
该调制(参见图7)导致对σ进行调制，但是由于sigma与nch之间的非线性关系，因此该σ的调制发生在2ωm频率处。
现在，考虑到光入射到器件的情况，这会感应出在石墨烯沟道附近的恒定的载流子密度n光，然后沟道的传导率为：
Figure GDA0003042644120000172
现在，该传导率还将包含频率ωm，其幅值(在频域中)与光感应的密度n光成比例。
当实现将比ωm小和比ωm大的频率附近的信号切掉的信号提取时，已实现了对噪声的抑制。
该抑制的原因是有效的准静态照射会导致较高频率的信号，其中器件噪声(通常由1/f噪声主导)较低。1/f噪声的来源可能是电荷密度、迁移率或接触噪声。当噪声由流动性噪声控制时，实施方式3中的噪声抑制方案发挥最佳作用。
因此，对于实施方式3，控制单元(未示出)被配置为：将电压振荡信号VBD(在图1(b)中作为VBD连接，即在底栅极Gb和漏极D之间)生成为使得其在最大电压值VBD最大(或VBD，1)和最小电压值VBD最小(或VBD，2)之间振荡，所述最大电压值VBD最大和最小电压值VBD最小电压值在幅值方面相等或基本上相等，但符号相反，或者当在形成于传输结构中的沟道中存在载流子密度偏移时，符号相同，并且由控制单元进行选择，使得在频率ωm/2π处在最大载流子密度值nch*与最小载流子密度值-nch*(剩余载流子密度值或其他类型的载流子密度的值)之间调制石墨烯沟道的载流子密度nch，并且当光入射到光敏结构P上时，石墨烯的层的传导率σ在频率ωm/π处被调制并且包含在频率ωm/2π处的分量。
优选地，如图7所示，最大载流子密度值和最小载流子密度值具有相反的符号，但在幅值方面相等或基本上相等。
读出和信号提取可以以与实施方式1中相同的方式来实现，即借助于本发明的第一方面的设备的调制单元的信号提取单元(未示出)来实现。
图7示出了用于实施方式3的电压振荡信号VBD，和用图6的器件获得的光信号dR/R与器件的石墨烯的层T中的载流子密度的关系图，其中所描绘的箭头指示需要对载流子密度进行调制以实现针对第三实施方式的噪声抑制的典型范围。
在图8(示意性)和图9(实际实施性)中以波形示出了该实施方式3的噪声抑制方案的示意性和实际实施性。
特别地，图8示出了在如上所述对底栅极Gb进行调制时的器件输出波形的不同示意性图形表示，并且图9示出了在f＝225Hz的频率处进行调制的针对本发明的设备的实际实现获得的结果。由于非线性效应，在2*f处出现峰值(“无光”线)。用恒定光照射会导致在f处出现峰值(“有光”线)。
同样在图4中、在图8中，为清楚起见，所得到的检测信号还包括频率低于fm的噪声。带通滤波过滤了在fm以上的图示的噪声和在fm以下的未图示的噪声。
尽管未示出，但是对于该实施方式3的更详细的实现，光电器件还包括：电连接至光敏结构P的顶部电极；或通过另一介电结构与光敏结构P分离的导电的顶栅极结构(即，如图5所示)，以便执行将光电器件的响应度保持恒定并在零以上和/或生成补偿电压并将其施加到顶部电极或顶栅极结构，如前一部分所解释的。
如本文件的前一部分所述，实施方式3不仅可以用于光电设备的噪声抑制，还可以用于非光电设备的噪声抑制，该非光电设备包括依赖于要施加到器件的源极漏极偏压的非光电的基于石墨烯的感测器件。
这种非光电的基于石墨烯的器件的实施方式如图15所示，并且包括：
-导电的底栅极结构Gb；
-布置在导电的底栅极结构Gb之上的介电结构/层De；
-传输结构T，其包括布置在介电结构De之上的一个或更多个二维石墨烯的层；以及
-漏极D和源极S，所述漏极和源极电连接至传输结构T的相应的分开的位置。
针对图6所示的器件描述的实施方式3的噪声抑制方案也适用于图15的器件。
上面描述的图9示出，当光照亮时，在fm处出现峰值。尚未证明噪声抑制有效。为了证明这一点，在图17和图18中提供了实验结果，该实验结果表明噪声抑制实际上根据实施方式3起作用。
具体地说，已经制成具有图6所描绘的结构的器件。局部栅由镍制成，介电层是50nm的Al2O3，并且源极和漏极由钯制成。石墨烯被转移并被图案化成WxL＝30×60μm2沟道，随后沉积为PbS胶体量子点的敏化层。
检测器上的信号被以两种不同的方式读取：
1.根据实施方式3的噪声抑制：施加正弦栅极调制(VBD在偏移值3.07V附近以正弦振荡，其中最大3.211V且最小2.929V)，以在fm＝113Hz的漏极D与底栅极结构Gb之间的中性点附近调制电荷载流子密度并调制源-漏极的恒定电压偏置。将光照亮到检测器上，并使用带宽为1.25Hz的锁相放大器读取源漏电流，同时以1Hz的频率调制入射到传感器上的光(该光调制仅适于说明更好的噪声抑制)。图17(a)示出了所得到的信号。
2.常规读出：在底栅极结构Gb和漏极D之间施加0V的恒定电压(这是最大化光响应的设置)和恒定的源-漏偏压。使用电流放大器读取信号，并确保输出信号受到检测器的噪声的限制。所得到的数据绘制在图17(b)中。
通过将图17(a)与图17(b)进行比较，可以清楚地看到实施方式3中描述的技术显着降低了噪声。
为了定量地了解噪声降低，如图18所示，应用实施方式3的噪声抑制技术(图18(a))并使用常规读出(图18(b))，对制成的器件进行了噪声等效辐照度的测量。如图所示，噪声降低了因子125。注意，从理论上讲，噪声抑制将提供因子
Figure GDA0003042644120000201
抑制，因此还有另一个好处，即在中性点附近调制传输沟道的载流子密度。
为了进一步证明如实施方式3中所述的对1/f噪声的抑制，还根据图6的结构从另一制成的器件中收集了图19中绘制的数据集。图19清楚地表明，信号的幅值(在黑暗条件下执行此测量时的噪声的幅值)随调制频率增大直到～100Hz而减小。高于100Hz时，信号再次增大，这是由于底栅极结构Gb和介电结构De充当了高通滤波器(栅电容约为2pF)，以用于施加到底栅极结构Gb的调制信号。较小的栅电容会加宽噪声抑制工作所在的调制频率范围，从而提高噪声抑制的效率。
实施方式4：用于抑制噪声的源漏电压调制：
对于该实施方式4，本发明的第一方面的光电设备的光电器件还具有图6所描绘的布置或图11所描绘的布置。
在这种情况下，通过调制源漏偏压来实现噪声抑制，这是基于观察到可以通过施加较大的源漏偏压VSD，关闭来关闭光响应，而使得检测器的响应为0(或基本上为0)。图10示出了这种效果。
因此，根据本发明，可以调制VSD，最大(或VSD，1)(响应度最大的源漏偏压)和VSD，关闭(或VSD，2)之间的偏压以实现用于器件的内置快门。
可以使用频率为ωm的待施加到源极S和漏极D的电压振荡信号，例如正弦信号(或任何其他周期信号方波脉冲、三角波等)，来实现这种快门：
Figure GDA0003042644120000211
控制单元(未示出)被配置为：在源极S和漏极D之间施加所述电压振荡信号VSD，并将该电压振荡信号生成为使得其在光电器件的响应度为零或基本上为零的较高的值VSD，关闭和光电器件的响应度最大或基本上最大的较低的值VSD，最大之间振荡。
图10中示出了根据实施方式4的光检测器的原型的响应度，其是在恒定辐照度为50mW/m2下的源漏偏压的函数。
可以以与实施方式1中相同的方式实现用于抑制最终输出信号中的噪声的读出和信号提取。当应用带通滤波时，在信号提取之前和之后的检测器输出波形将与图4中的相同或相似。
在生成输出检测信号即上述所需的电信号之后，需要提取实际的光信号。在图12中，示出了针对一种实施方式的完整信号读出链，其中，除了上面已经公开的控制单元、光电器件和信号提取单元之外，本发明的设备中还包括另一框，特别是光信号提取单元。
光信号提取可以通过以之下式实现：
·记录输出检测信号的时间轨迹，并测量输出检测信号的最大S2和最小S1，则光信号的幅值为S2-S1。
·当使用快速傅里叶变换(FFT)进行滤波时，如图9所示，光信号的幅值是在频率f＝ωm/2π处的值。
·当使用锁相放大器进行滤波时，光信号由锁相放大器直接输出，即图12中所描绘的光信号提取单元将由信号提取单元实现。
·相关的双采样型光信号提取，如以下针对不同实施方式所述。
对于执行相关双采样型光信号提取的所述实施方式，通过从VBD，2(或VSD，1或VTD，1)的信号中减去来自VBD，1(或VSD，2或VTD，2)的信号提取单元的信号来获得光信号。在时间相关的信号为方波的情况下，可以以如下方式实现读出与时序：
1：施加值为VBD，1(和/或VSD，2和/或VTD，2)的电压
2：读取输出检测信号的幅值，即为值S2，存储为S2
3：施加值为VBD，2(和/或VSD，1和/或VTD，1)的电压
4：读取输出检测信号的幅值，即为值S1，存储S1。
S2-S1给出光信号的幅值
信号S1和S2可以例如是电流或电压。
在图13a中，示出了上述的相关双采样时序，但是特定地针对实施方式1、2和3。如果器件结构中没有实现顶栅，则可以忽略VTD序列。
在图13b中，示出了上述但特别用于实施方式4的相关双采样时间序列。
图14示出了本发明的设备的示例实施方式，其使用上述相关双采样作为光信号提取方法，为实施方式1和2实现了图12的完整读出链。
注意，尽管在图14中，输出电信号直接从光电器件传输到信号提取单元，但是对于其他实施方式(未示出)则不是这种情况，例如当实现平衡读出方案时。
本领域技术人员可以在不脱离如所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，在所描述的实施方式中进行改变和修改。

Claims (20)

1.一种光电设备，所述光电设备包括光电器件，所述光电器件包括：
包括至少一个具有原子级厚度的层的传输结构；
光敏结构，所述光敏结构被配置和布置为吸收入射光并引起所述传输结构的电导率方面的变化；以及
漏极和源极，所述漏极和所述源极电连接至所述传输结构的相应的分开的位置；
其中，所述光电设备还包括噪声抑制装置，所述噪声抑制装置包括调制单元，所述调制单元包括：
控制单元，所述控制单元包括电压发生器并且被配置为生成具有频率为fm的至少一个分量的时间相关的电压振荡信号，并将所述时间相关的电压振荡信号至少施加到所述漏极和所述源极中的一者上；以及
信号提取单元，所述信号提取单元被配置为当光入射到所述光敏结构上时从在形成于所述传输结构中且位于所述漏极与所述源极之间的沟道处生成的输出电信号提取所需的电信号，所述信号提取单元适于将所述输出电信号中的处于fm以下的频率处的至少那些分量切掉，以提供所述所需的电信号，
其中，所述光电器件还包括导电的第一栅极结构和布置在所述导电的第一栅极结构与所述传输结构之间的介电结构，并且其中，所述控制单元被配置为在所述导电的第一栅极结构与所述漏极和所述源极中的至少一者之间施加所述时间相关的电压振荡信号。
2.根据权利要求1所述的光电设备，其中，所述导电的第一栅极结构是导电的底栅极结构。
3.根据权利要求1所述的光电设备，其中，所述控制单元被配置为在所述导电的第一栅极结构与所述漏极之间施加所述时间相关的电压振荡信号。
4.根据权利要求3所述的光电设备，其中，所述至少一个具有原子级厚度的层由石墨烯制成，并且其中，所述控制单元被配置为：将所述时间相关的电压振荡信号生成为使得所述时间相关的电压振荡信号在幅值方面相等但符号相反的并且由所述控制单元选择的最大电压值与最小电压值之间振荡，从而使得在至少频率fm处、在最大电荷载流子密度值与最小电荷载流子密度值之间、在石墨烯的电荷中性点附近调制所述沟道的电荷载流子密度，并且在频率2fm处调制所述石墨烯的层的传导率，且当光入射到所述光敏结构上时，所述传导率包含频率为fm的分量。
5.根据权利要求4所述的光电设备，其中，所述最大载流子密度值和所述最小载流子密度值具有相反的符号。
6.根据权利要求5所述的光电设备，其中，所述最大载流子密度值和所述最小载流子密度值的绝对值在幅值方面是相等或基本上相等的。
7.根据权利要求4所述的光电设备，其中，所述最大电荷载流子密度值和所述最小电荷载流子密度值是剩余电荷载流子密度值。
8.根据权利要求4所述的光电设备，其中，所述光电器件还包括：
电连接至所述光敏结构的另一电极；或者
布置在所述光敏结构之上的另一介电结构以及布置在所述另一介电结构之上的导电的第二栅极结构，
并且其中，所述控制单元被配置为：生成另一电压信号，并且在施加所述电压振荡信号的同时，将所述另一电压信号施加到所述另一电极或所述第二栅极结构，使得所述光电器件的响应度保持恒定并且在零以上。
9.根据权利要求8所述的光电设备，其中，所述控制单元被配置为：生成所述另一电压信号，并将所述另一电压信号施加到所述另一电极或所述第二栅极结构，使得所述光电器件的响应度在最大值或基本上最大值处保持恒定。
10.根据权利要求9所述的光电设备，其中，所述控制单元还包括补偿机构，所述补偿机构用于补偿所述光电器件的响应度对所述时间相关的电压振荡信号或施加到所述导电的第一栅极结构的其他电压的依赖性，所述补偿机构包括补偿电压源，所述补偿电压源被配置为生成补偿电压并将所述补偿电压施加到所述另一电极或所述第二栅极结构。
11.根据权利要求3所述的光电设备，其中，所述至少一个具有原子级厚度的层由石墨烯制成，并且其中，所述控制单元被配置为：将所述时间相关的电压振荡信号生成为使得所述时间相关的电压振荡信号在最大电压值与最小电压值之间振荡，所述最大电压值和所述最小电压值相对于参考值而言在幅值方面是相等或者基本上相等的且当所述沟道中存在载流子密度偏移时具有相同的符号，并且所述最大电压值和所述最小电压值是由所述控制单元选择的，从而使得在至少频率fm处、在最大电荷载流子密度值与最小电荷载流子密度值之间、在石墨烯的电荷中性点附近调制所述沟道的电荷载流子密度，并且在频率2fm处调制所述石墨烯的层的传导率，且当光入射到所述光敏结构上时，所述传导率包含频率为fm的分量。
12.根据权利要求1所述的光电设备，其中，所述光电器件还包括电连接至所述光敏结构的另一电极，并且其中，所述控制单元被配置为生成具有频率为fm的至少一个分量的另一时间相关的电压振荡信号，并且在施加所述时间相关的电压振荡信号的同时，将所述另一时间相关的电压振荡信号施加在所述另一电极与所述漏极和所述源极中的一者之间。
13.根据权利要求12所述的光电设备，其中，所述控制单元被配置为生成所述时间相关的电压振荡信号和所述另一时间相关的电压振荡信号，使得所述时间相关的电压振荡信号和所述另一时间相关的电压振荡信号在由所述控制单元选择的最大电压值与最小电压值之间振荡，以保持所述沟道的电荷载流子密度基本上恒定，同时将所述光电器件的响应度从在所述最大电压值处的有限值调节至在所述最小电压值处的零以及从在所述最小电压值处的零调节至在所述最大电压值处的有限值。
14.根据权利要求12所述的光电设备，其中，所述时间相关的电压振荡信号与所述另一时间相关的电压振荡信号相移达180°。
15.根据权利要求1所述的光电设备，其中，所述光电器件还包括布置在所述光敏结构之上的另一介电结构和布置在所述另一介电结构之上的导电的第二栅极结构，并且其中，所述控制单元被配置为生成具有频率为fm的至少一个分量的另一时间相关的电压振荡信号，并且在施加所述时间相关的电压振荡信号的同时，将所述另一时间相关的电压振荡信号施加在所述导电的第二栅极结构与所述漏极和所述源极中的一者之间。
16.根据权利要求15所述的光电设备，其中，所述导电的第二栅极结构(Gt)是导电的顶栅极结构。
17.根据权利要求1所述的光电设备，所述光电设备除了包括所述信号提取单元外还包括光信号提取单元，或者所述光电设备包括由所述信号提取单元实现的光信号提取单元，所述光信号提取单元适于从所述所需的电信号提取光信号的幅值。
18.一种光电设备，所述光电设备包括光电器件，所述光电器件包括：
包括至少一个具有原子级厚度的层的传输结构；
光敏结构，所述光敏结构被配置和布置为吸收入射光并引起所述传输结构的电导率方面的变化；以及
漏极和源极，所述漏极和所述源极电连接至所述传输结构的相应的分开的位置；
其中，所述光电设备还包括噪声抑制装置，所述噪声抑制装置包括调制单元，所述调制单元包括：
控制单元，所述控制单元包括电压发生器并且被配置为生成具有频率为fm的至少一个分量的时间相关的电压振荡信号，并将所述时间相关的电压振荡信号至少施加到所述漏极和所述源极中的一者上；以及
信号提取单元，所述信号提取单元被配置为当光入射到所述光敏结构上时从在形成于所述传输结构中且位于所述漏极与所述源极之间的沟道处生成的输出电信号提取所需的电信号，所述信号提取单元适于将所述输出电信号中的处于fm以下的频率处的至少那些分量切掉，以提供所述所需的电信号，以及
其中，所述控制单元被配置为：在所述漏极与所述源极之间施加所述时间相关的电压振荡信号，并将所述时间相关的电压振荡信号生成为使得所述时间相关的电压振荡信号在所述光电器件的响应度为零或基本上为零的较高值与在所述光电器件的响应度为最大或基本上最大的较低值之间振荡。
19.根据权利要求18所述的光电设备，所述光电设备除了包括所述信号提取单元外还包括光信号提取单元，或者所述光电设备包括由所述信号提取单元实现的光信号提取单元，所述光信号提取单元适于从所述所需的电信号提取光信号的幅值。
20.一种用于抑制光电设备的噪声的方法，所述光电设备包括光电器件，所述光电器件包括：
包括至少一个具有原子级厚度的层的传输结构；
光敏结构，所述光敏结构被配置和布置为吸收入射光并引起所述传输结构的电导率方面的变化；以及
漏极和源极，所述漏极和所述源极电连接至所述传输结构的相应的分开的位置；
其中，所述光电设备还包括噪声抑制装置，所述噪声抑制装置包括调制单元，所述调制单元包括：
控制单元，所述控制单元包括电压发生器并且被配置为生成具有频率为fm的至少一个分量的时间相关的电压振荡信号，并将所述时间相关的电压振荡信号至少施加到所述漏极和所述源极中的一者上；以及
信号提取单元，所述信号提取单元被配置为当光入射到所述光敏结构上时从在形成于所述传输结构中且位于所述漏极与所述源极之间的沟道处生成的输出电信号提取所需的电信号，所述信号提取单元适于将所述输出电信号中的处于fm以下的频率处的至少那些分量切掉，以提供所述所需的电信号，
其中，所述光电器件还包括导电的第一栅极结构和布置在所述导电的第一栅极结构与所述传输结构之间的介电结构，并且其中，所述控制单元被配置为在所述导电的第一栅极结构与所述漏极和所述源极中的至少一者之间施加所述时间相关的电压振荡信号；
其中，所述方法包括：执行所述控制单元的操作，执行所述控制单元的所述操作包括计算所述时间相关的电压振荡信号，并且在所述光电器件的所述导电的第一栅极结构与所述漏极和所述源极中的至少一者之间施加所述时间相关的电压振荡信号，以及所述信号提取单元从所述输出电信号提取所述所需的电信号的操作。
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