CN111121835B - 一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热释电/光电双功能集成传感器件。该传感器件为预极化半导体薄膜的热释电/光电双功能集成传感器件，由光电传感阵列和导电接线金属薄膜层组成，该光电传感阵列由光电传感单元以并联的形式组成，该光电传感单元由铁电性半导体薄膜层和透明导电薄膜层以面外异质结的形式组成，该铁电性半导体薄膜层是含有氧空位的多晶型薄膜层，该透明导电薄膜层是具有高功函数的金属薄膜层。该集成传感器件不仅可以通过调整退极化场的强度和方向来进行控制，还可以通过热释电效应的电势来进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及光电传感信息设备领域，特别是涉及一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件。
背景技术
基于半导体材料的大量研究，光与电的能量转换效率逐步提升，光电传感器件在信息通讯、环境监测、安全防控、清洁能源、智能物联、自动化控制以及军工系统等应用工程领域中占据着重要地位。并随着微电子工艺的发展，小型化的、低功耗的、高性能的新型传感器件不断被设计出来，应用于极端条件下的工作环境。此外，结合材料的结构特性，所制备传感器件能够受第三端口的变量控制，或者能够实现对第三方物理量的探测，以使其功能具备特异性，满足复杂环境中的工作需求。
一般，铁电性半导体材料在施加外电场后，内部的退极化场会使能带发生弯曲，从而与电极接触面的势垒高度改变，光电转换特征随即反应到伏安曲线。另外，铁电性半导体内部的正负电荷重心偏移，这提供了一种分离光激发电子空穴对的内建电势。根据上述的材料特性，铁电性半导体已被应用于太阳能电池、光电传感等研究。与此同时，铁电性材料所属的非中心对称性结构，合适的光照下能够产生温度变化，使得薄膜内构成热释电电势，从而形成数倍于势垒的光电流，有效的提升了光电转换效率。然而，由于不理想的能带结构和退极化场的低分离效率，铁电性半导体的能量转换效率仍远低于IV族半导体，而热释电性半导体在光照下产生的热释电电势具有单一性，难以实现第三方可控的光电传感器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，以解决铁电性半导体的能量转换效率低，热释电性半导体在光照下产生的热释电电势具有单一性，难以实现第三方可控的光电传感器件的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，包括：光电传感阵列以及导电接线金属薄膜层；
所述光电传感阵列设于所述导电接线金属薄膜层上；所述光电传感阵列包括多个光电传感单元；所述光电传感单元包括铁电性半导体薄膜层以及透明导电薄膜层；所述铁电性半导体薄膜层以及所述透明导电薄膜层形成异质结；所述透明导电薄膜层包括顶电极薄膜层以及底电极薄膜层；所述顶电极薄膜层、所述铁电性半导体薄膜层以及所述底电极薄膜层构成肖特基势垒；所述铁电性半导体薄膜层为含有氧空位的多晶型薄膜层，所述铁电性半导体薄膜具有热释电效应。
可选的，所述铁电性半导体薄膜层，设于所述顶电极薄膜层以及所述底电极薄膜层之间；所述顶电极薄膜层的上表面设有顶电极布线层；所述底电极薄膜层的下表面设有底电极布线层。
可选的，所述光电传感阵列的排列布局为二维平铺网络、六角蜂窝结构或三维堆叠网络。
可选的，多个所述光电传感单元以并联方式连接。
可选的，所述导电接线金属薄膜层为铜金属薄膜层、银金属薄膜层、铂金属薄膜层或金金属薄膜层。
可选的，所述肖特基势垒为等高势垒、非等高势垒以及单势垒单欧姆接触；
所述肖特基势垒的电极面积不等于所述铁电性半导体薄膜的面积。
可选的，所述铁电性半导体薄膜层为六方晶系的铁氧体薄膜层、六方晶系的锰氧体薄膜层或非中心对称的金属氧化物薄膜层。
可选的，所述透明导电薄膜层为铂金属薄膜层、金金属薄膜层或镍Ni金属薄膜层。
可选的，所述导电接线金属薄膜层的厚度为10nm至100μm；所述铁电性半导体薄膜层的厚度为20nm至500nm；所述透明导电薄膜层的厚度为1nm至50nm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，以顶电极薄膜层、铁电性半导体薄膜层、底电极薄膜层的异质结构沿面外方向制备而成，其中，顶电极薄膜层和底电极薄膜层与所述的铁电性半导体薄膜层构成了肖特基势垒，在合适的光照条件下，能够通过分离光致电子空穴对输出光电流，并且所述的肖特基势垒高度可以通过调整退极化场的强度和方向来进行控制，从而能够实现电压可控的光电传感器件。
此外，所述的铁电性半导体薄膜层是含有氧空位的多晶型薄膜，在光照下能够形成热释电电势，从而能够表现出光致热释电效应，由于分离电子空穴对的电场力由肖特基势垒提供，光致热释电效应的电流输出方向同样受退极化场的控制，热释电电势能够通过超过铁电性半导体的矫顽场，实现对传感器件所述铁电性半导体薄膜退极化场的再调控，以提高退极化场的分离效率，从而提高了铁电性半导体的能量转换效率，最终实现不同于低强度光照下的光电流输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于热释电及光电双功能的集成传感器件的光电传感阵列示意图；
图2为本发明提供的传感单元结构截面的示意图；
图3为本发明提供的传感单元的电流时序示意图；图3a为本发明提供的向上预极化后的电流时序图；图3b为本发明提供的基于图a的状态由顶电极侧的强光照射后的电流时序图；图3c为本发明提供的基于图b的状态由底电极侧的强光照射后的电流时序图；图3d为本发明提供的向下预极化后的电流时序图；图3e为本发明提供的基于图d的状态由顶电极侧的强光照射后的电流时序图；图3f为本发明提供的基于图e的状态由底电极侧的强光照射后的电流时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，能够提高铁电性半导体的能量转换效率，实现第三方可控的基于热释电及光电双功能的集成传感器件。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，包括：光电传感阵列以及导电接线金属薄膜层；
所述光电传感阵列设于所述导电接线金属薄膜层上；所述光电传感阵列包括多个光电传感单元；所述光电传感单元包括铁电性半导体薄膜层以及透明导电薄膜层；所述铁电性半导体薄膜层以及所述透明导电薄膜层形成异质结；所述透明导电薄膜层包括顶电极薄膜层以及底电极薄膜层；所述顶电极薄膜层、所述铁电性半导体薄膜层以及所述底电极薄膜层构成肖特基势垒；所述铁电性半导体薄膜层为含有氧空位的多晶型薄膜层，所述铁电性半导体薄膜层具有热释电效应；其中，所述顶电极薄膜层为透明导电顶电极薄膜层，所述底电极薄膜层为透明导电底电极薄膜层。
以热释电/光电集成传感器件内传感单元以二维平铺网格的形式布局布线为例，图1为本发明提供的基于热释电及光电双功能的集成传感器件的光电传感阵列示意图，如图1所示，所述二维平铺网格的布线规划在最大程度上保证传感单元的实际电压保持等量等时性，同时保证传感单元顶电极的可透光面积保持一致性和最小化。
图2为本发明提供的传感单元结构截面的示意图，如图2所示，所述热释电/光电集成传感单元为由顶电极薄膜层1、铁电性半导体薄膜层2和底电极薄膜层3构成的多层膜异质结。
所述顶电极薄膜层1选择透光率良好的材料及其形状特征；所述底电极薄膜层3选择晶格匹配度良好的材料及其形状特征；所述铁电性半导体薄膜层2选择含有氧空位的多晶型薄膜，并且铁电特性保持在面外方向上。
所述传感单元中，依据实际的材料功函数或者禁带宽度，铁电性半导体薄膜层2可以分别与顶电极薄膜层1和底电极薄膜层3形成欧姆接触或者肖特基势垒。
所述铁电性半导体薄膜层2在施加极化脉冲电场后，内部的氧空位迁移至薄膜层2中的顶电极侧或者底电极侧，电荷的空间分布发生变化，顶部和底部的接触面能带结构发生变化，从而致使对光电转换过程产生调制作用。
同时，所述铁电性半导体薄膜层2具有热释电效应，即在激光照射下产生热梯度，并在热释电效应下实现作用于铁电性半导体薄膜层2的热释电电势，所述热电电势于光照能量密度呈正相关性，从而施加足够能量的状态下能够实现对光电转换过程的调制。
本实施例中，所述顶电极薄膜层1和底电极薄膜层3及其布线层的材料选择为铂Pt金属，所述顶电极布线层的材料选择为铜Cu金属，铁电性半导体薄膜层2的材料选择为铁酸铥TmFeO3，集成传感器件的基底采用面积为10×10mm的、厚度为500μm的、晶面为（0001）的蓝宝石基片。
其制备过程可参考以下步骤：
步骤1：在蓝宝石Al2O3（0001）单晶基片上，利用磁控溅射技术，生长厚度为10nm的铂Pt薄膜层，利用光刻工艺进行掩膜操作，并利用离子刻蚀技术，制备出预期图案的底电极及其布线层。
步骤2：利用脉冲激光沉积（pulse laser depositing，PLD）技术，在底电极及其布线层上生长得到铁酸铥TmFeO3半导体薄膜层，利用磁控溅射技术，在铁酸铥TmFeO3薄膜层上生长得到厚度为5nm的铂Pt金属薄膜层，并利用光刻工艺进行掩膜操作，再利用离子刻蚀技术，制备出预期形状的顶电极薄膜层1和铁电性半导体薄膜层2，用以与底电极薄膜层3接触形成传感单元。
步骤3：利用磁控溅射技术，在制备有集成传感单元的基础上生长得到厚度为300nm的铜Cu金属薄膜层，并利用光刻工艺进行掩膜操作，再利用离子刻蚀技术，制备出预期图案的顶电极布线层。
步骤4：使用匀胶设备，在传感器件上层旋涂一层PDMS的抗氧化透明保护层，以避免集成传感器件受外界湿气和氧气的影响，最终制备出基于预极化半导体薄膜的基于热释电及光电双功能的集成传感器件。
制备有传感单元阵列能够实现电压调控和光调控的光强度传感，同时能够实现光斑面积的探测。
为了说明光学调控方法，使用波长为405nm的激光光源作为测试目标，测试过程产生的光电流输出曲线，图3为本发明提供的传感单元的电流时序示意图，如图3所示，其中，横坐标为时间time，单位为s；纵坐标为电流强度current，单位为nA。
传感器件在使用强度为0.5MV/cm的脉宽为1s的向上极化电场进行预极化后，调整光源功率为30mW、光斑大小约为1cm半径的圆、测试周期为10s、测试激光由顶电极入射，电流时序输出曲线，如图3a所示。
随后调整光源功率为90mW，脉冲宽度为1s，入射光在顶电极侧，作为光学调制源，在完成调制后重复上述的测试过程，所获得的电流时序输出曲线，如图3b所示。
随后调整光学调制源至底电极侧，在完成调制后重复上述的测试过程，所获得电流时序输出曲线，如图3c所示。
传感器件在向下预极化后的一系列测试结果由图3d到图3f所示，测试过程与向上预极化的过程相同。
本发明的基于热释电及光电双功能的集成传感单元的主要优点是存在多个可调控的物理学方式，途径是借助氧空位在铁电性半导体薄膜内的迁移来关联不同的外界物理量，所述氧空位迁移可以在外加电场或者光致热释电电势等电学形式的手段来完成，使得传感器件具备多功能性。
在这种情况下，通过晶粒的形状大小来改变整个铁电性半导体薄膜内氧空位的分布状态，从而使光电转换的电压可调整性，特别是至少所述氧空位被用作为调节继承传感单元能带结构的主要手段。
根据集成传感器件的实施形式，基于热释电及光电双功能的集成传感器件由至少两个法向沿面外的肖特基势垒组成；该肖特基势垒根据需要可制备为等高势垒、非等高势垒、单势垒单欧姆接触；肖特基势垒的电极面积和铁电性半导体薄膜面积可以不同，从而使肖特基势垒的制备流程可避免制备绝缘层，以减少传感器件的复杂度并降低成本。
特别的是，本发明利用金属与半导体接触界面处的能带结构，特别是非对等的肖特基势垒，以便有针对性地约束光电流在外电场调控下的变化范围。
可有目的地使用在开始工作前时间的预极化电场强度或者保持时长，以有效地调节氧空位在传感单元内的分布状态，从而可实现在光致热释电效应作用下的电势阈值控制，由此可实现传感器件在不同工作环境中的应用。对于光电流的输出幅值，也可根据势垒能带结构受界面电荷分布在氧空位迁移下的变化进行调整。
在集成传感器件的布线布局中，传感单元放置在透明基片的抛光平面上，排列布局形式可设定为二维平铺网格、六角蜂窝结构、三维堆叠网格，同时单元接线方式依据局部组划分并以树形结构生成，以满足预极化电势作用下所有传感单元具有等效性。
此外，通过合理地添加额外电阻，可实现不同传感目标范围的传感器件在同一基底上共享同一电源，从而满足高度的可集成性以及功能多样性。
在存在空间限制的条件下，可裁剪电源及其稳压电路以缩小传感器件面积，并通过额定波长的激光对传感器件进行调节，实现无源的控制手段并构建传感器件群的等量等时调控系统，从而增强基于预极化铁电性半导体的基于热释电及光电双功能的集成传感器件的应用范围。
本发明可以存在多个可调控的物理学方式，使得器件具备多功能性、高度集成化、强可扩展性等优点，可实现光电模块在各种条件下的灵活配置，从而满足现代系统的智能化需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，包括：光电传感阵列以及导电接线金属薄膜层；
所述光电传感阵列设于所述导电接线金属薄膜层上；所述光电传感阵列包括多个光电传感单元；所述光电传感单元包括铁电性半导体薄膜层以及透明导电薄膜层；所述铁电性半导体薄膜层以及所述透明导电薄膜层形成异质结；所述透明导电薄膜层包括顶电极薄膜层以及底电极薄膜层；以所述顶电极薄膜层、所述铁电性半导体薄膜层、所述底电极薄膜层的异质结构沿面外方向制备而成，所述铁电性半导体薄膜层设于所述顶电极薄膜层以及所述底电极薄膜层之间；所述顶电极薄膜层的上表面设有顶电极布线层；所述底电极薄膜层的下表面设有底电极布线层；所述顶电极薄膜层、所述铁电性半导体薄膜层以及所述底电极薄膜层构成肖特基势垒，所述肖特基势垒的电极面积不等于所述铁电性半导体薄膜的面积；所述铁电性半导体薄膜层为含有氧空位的多晶型薄膜层，所述铁电性半导体薄膜层具有热释电效应，所述基于热释电及光电双功能的集成传感器件由至少两个法向沿面外的肖特基势垒组成。
2.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述光电传感阵列的排列布局为二维平铺网络或三维堆叠网络。
3.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，多个所述光电传感单元以并联方式连接。
4.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述导电接线金属薄膜层为铜金属薄膜层、银金属薄膜层、铂金属薄膜层或金金属薄膜层。
5.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述肖特基势垒为等高势垒、非等高势垒或单势垒单欧姆接触。
6.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述铁电性半导体薄膜层为六方晶系的铁氧体薄膜层、六方晶系的锰氧体薄膜层或非中心对称的氧化物薄膜层。
7.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述透明导电薄膜层为铂金属薄膜层、金金属薄膜层或镍金属薄膜层。
8.根据权利要求1所述的基于热释电及光电双功能的集成传感器件，其特征在于，所述导电接线金属薄膜层的厚度为10nm至100μm；所述铁电性半导体薄膜层的厚度为20nm至500nm；所述透明导电薄膜层的厚度为1nm至50nm。
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