CN113451422B - 一种光电探测器的调节方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种光电探测器的调节方法，该光电探测器包括：源极、漏极、栅极及沟道层，沟道层位于栅极上方，源极及漏极分别位于沟道层两侧；在源极与漏极间施加初始电压Vds，栅极施加初始电压V0，以使光电探测器在第一预设时长内处于耗尽状态；在源极与漏极间设置正反馈电路，用于检测源漏极两端的电流Ids的变化；将光电探测器光照第二预设时长，以使正反馈电路根据检测到的电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至栅极上；在第二预设时长后撤销光照，正反馈电路根据检测到的电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上。本公开还提供了光电探测器的调节方法在太赫兹或红外光或可见光或紫外或X射线晶体管结构探测器上的应用。

Description

一种光电探测器的调节方法及其应用
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，具体涉及一种光电探测器的调节方法及其应用。
背景技术
在大多数光电探测器中，高响应度和快恢复速度存在相互影响的问题，两者往往很难兼得。光电探测器的响应度直接决定了光电探测器对光源的敏感程度，直接反映出器件的探测能力，如果器件的响应度不够，很可能无法对弱光做出反应，从而丢失光信号捕捉能力。而光电流恢复速度则对应了衰减时间，它直接决定了探测器是否可以进行重复探测。例如，假设器件需要探测两个先后产生的光学信号，并且这两个信号的间隔时间比较短。如果一个探测器的可持续光电导效应(PPC效应)比较严重，那么探测器在探测第一个信号时产生的部分光电流，在第二个信号到达时就不能完全恢复，导致探测器在探测第二个信号时，电流产生误差甚至是严重错误。PPC效应影响了探测器的可重复探测能力，过于明显的PPC效应限制了探测器的探测频率。
为提升器件的响应度与恢复速度，研究者们从材料、工艺、器件结构等方面对器件进行优化和提升。例如，虽然由磁控溅射制成的薄膜材料一般为非晶，但是经过特殊条件的退火处理后，分子在一定程度上会重新排列，使得材料性能提升。由退火后的薄膜材料制成的光电探测器，探测速度和响应度都会有所提升。除了退火，设计器件的复合结构，例如PN结、异质结等，将探测器的结构体系和材料体系扩充，也能合理地提升器件的各项性能。但是在现有的技术层面上，各类方法都是直接对器件的物性实施调控使之性能改善，增加了额外的制备成本和周期；另一方面，对于物性改变后的材料自身来说，在同一个器件上，依然会面对本征的响应度和恢复速度的折衷问题。
综上，现有技术中改善光电探测器的响应度及恢复速度存在以下缺点：
(1)、对光电探测器的改进往往体现在制备工艺上，例如进行退火处理，设计结型结构等等，过多的工艺会延长探测器的制备周期，提升成本。
(2)、光电探测器中，高响应度和快恢复速度往往不可同时兼得。例如在同一个器件的探测周期内，更大的光电流需要更长的恢复时间。
(3)、在拥有三端结构的FET型光电探测器中，栅极往往固定在某一偏置值，调控器件在受到光照时的响应度或者用来提升器件在光照后的恢复速度，但不可兼顾这两点。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种光电探测器的调节方法及其应用，旨在通过交变的栅极调控，在提升器件响应能力的同时大大降低器件的PPC效应，突破高响应度和快恢复速度之间的本证矛盾，提升器件在进行持续探测时的可重复能力。
本公开的第一个方面提供了一种光电探测器的调节方法，该光电探测器包括：源极、漏极、栅极及沟道层，沟道层位于栅极上方，源极及漏极分别位于沟道层两侧；其中，在源极与漏极间施加初始电压Vds，栅极施加初始电压V0，以使光电探测器在第一预设时长内处于耗尽状态；在源极与漏极间设置正反馈电路，用于检测源漏极两端的电流Ids的变化；将光电探测器光照第二预设时长，以使正反馈电路根据检测到的电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至栅极上，提升光电探测器的响应度；在第二预设时长后撤销光照，正反馈电路根据检测到的电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上，以使光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态，提升光电探测器的恢复速度。
进一步地，正反馈电路包括放大器及反馈电路，该放大器用于放大电流Ids的变化趋势，反馈电路用于判断电流Ids的变化趋势，并根据电流Ids的变化趋势将相应的正栅压差电脉冲Vg或负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上。
进一步地，将光电探测器光照第二预设时长，以使正反馈电路根据检测到的所述电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至所述栅极上，包括：将光电探测器进行光照第二预设时长，则电流Ids随着光照变大，放大器将所述电流Ids的变大趋势放大，以使反馈电路根据检测到的电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至栅极上，以使光电探测器在第二预设时长内提升响应度。
进一步地，在第二预设时长后撤销光照，正反馈电路根据检测到的电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上，以使光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态，包括：在所述第二预设时长后撤销光照，则电流Ids随着光照撤销后变小，放大器将电流Ids的变小趋势放大，则反馈电路根据检测到的电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上，以使光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态。
进一步地，当光电探测器的沟道材料为N型半导体材料时，所述正栅压差电脉冲Vg大于所述初始电压V0，负栅压差电脉冲Vg’小于初始电压V0；当光电探测器的沟道材料为P型半导体材料时，正栅压差电脉冲Vg小于初始电压V0，负栅压差电脉冲Vg’大于初始电压V0。
进一步地，第三预设时长小于光电探测器的本征恢复时间。
进一步地，第一预设时长、第二预设时长及第三预设时长之和为光电探测器的探测周期。
进一步地，将该光电探测器光照第二预设时长，包括：采用紫外光或可见光将光电探测器光照第二预设时长。
进一步地，光电探测器还包括：绝缘电介质层，其位于沟道层与栅极间。
本公开的第二个方面提供了采用第一个方面提供的光电探测器的调节方法在太赫兹或红外光或可见光或紫外或X射线晶体管结构探测器上的应用。
本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
(1)、现有技术中的方法不能在同一个物性的器件上实现响应度和恢复速度的同时改善，而本公开提供的调节方法可以在一个探测周期内同时实现两者的优化提升。
(2)、在不引入工艺复杂度的情况下，解决响应度和恢复速度的内部矛盾并实现两者的同步提升，优化成本低。
(3)、除优化响应度、恢复速度的提升外，该交变栅调控方法同时能够提升器件的光电流、量子效率、探测率等性能指标。
(4)、应用更为广泛：对于各种N型及P型半导体沟道光电探测器、各种波段的光电探测器，以及基于载流子传输机制的气敏、压力等传感器均适用。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的结构图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的调节方法的流程图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器施加电压激励后的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的一个探测周期内的栅压示意图；
图5示意性示出了根据本公开一实施例的正反馈电路的示意图；
图6示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的调节方法与其他三种栅控方法的效果对比图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的结构图。
如图1所示，本公开实施例的光电探测器100，包括：
栅极11，该栅极11可以为低阻硅衬底等。
绝缘电介质层12，其位于栅极11上，可以为二氧化硅层氧化层作为绝缘电介质层12。其中，本公开的实施例中，该光电探测器100中可以有绝缘电介质层12也可以没有绝缘电介质层12，即光电探测器100结构可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或金属-半导体场效应晶体管(MESFET)。
沟道层13，其位于绝缘电介质层12上。
漏极14及源极15，分别位于该沟道层13的两侧。
本公开的实施例中，对栅极11、绝缘电介质层12、沟道层13、漏极14及源极15的生长方式不作限定，其可以为本领域常规采用的生长方式及材料进行生长形成的各半导体层，本公开的实施例对各半导体层的材料、层厚、制备工艺等不做限定。
图2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的调节方法的流程图，该调节方法采用的光电探测器的结构如图1所示。
如图2所示，该光电探测器的调节方法包括：
S201，在源极与漏极间施加初始电压Vds，栅极施加初始电压V0，以使光电探测器在第一预设时长内处于耗尽状态。
本公开的实施例中，如图3与图4所示(以N型沟道层材料的探测器为例)，在源极与漏极间施加初始偏压Vds，栅极施加初始栅压V0，源极端接地，以使光电探测器在第一预设时长t1内处于耗尽状态，即在第一预设时长t1内以使器件进入待命状态。
S202，在源极与漏极间设置正反馈电路，用于检测源漏极两端的电流Ids的变化。
如图5所示，在源极与漏极间设置正反馈电路，用于检测源漏极两端的电流Ids的变化，该变化是指电流Ids的变化趋势。具体地，该正反馈电路包括放大器及反馈电路，放大器用于放大电流Ids的变化趋势；反馈电路用于判断电流Ids的变化趋势，并根据电流Ids的变化趋势将相应的正栅压差电脉冲Vg或负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上。本公开的实施例中，在一个探测周期内，这两种栅极加压方式是由电流Ids的变化趋势带来的反馈所决定，并且是交替进行的。反馈信号由外反馈电路产生，例如器件光电流上升会触发提升响应度的反馈，光电流下降会触发加快电流恢复速度的反馈。
需说明的是，本公开的实施例中所述的一个探测周期是指第一预设时长t1、第二预设时长t2及第三预设时长t3之和，且t1及t3均为毫秒级，t2从毫秒到秒级，其与光照时间、探测物类型、探测信号有关。
S203，将光电探测器光照第二预设时长t2，以使正反馈电路根据检测到的电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至栅极上，提升光电探测器的响应度。
本公开的实施例中，当光电探测器收到光照时，则源漏极两端的电流Ids随着光照会提升，此时放大器会将电流Ids的变化量ΔIds进行放大后输出至反馈电路，反馈电路根据当前电流Ids的变化量ΔIds(ΔIds＞0)将正栅压差电脉冲Vg施加至栅极上，提升光电探测器的响应度。
具体地，在一个探测周期内，增强光响应度的栅极电压的施加时机，和外界光源激发器件的时间直接相关，即开始施加正栅压差电脉冲Vg的时间应尽可能的接近光照的开始时间点，以使施加正栅压差电脉冲Vg的时长等于第二预设时长t2。且在一个探测周期内，提升响应度的正栅压一直保留于光撤销之前，时间相对较长。
S204，在第二预设时长t2后撤销光照，该正反馈电路根据检测到的电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上，以使光电探测器在第三预设时长t3内恢复至初始态，提升光电探测器的恢复速度。
本公开的实施例中，在第二预设时长t2后撤销光照，则电流Ids随着光照撤销后变小，放大器将该电流Ids的变小趋势放大，此时反馈电路根据当前检测到的电流Ids变小趋势(ΔIds＜0)后将负栅压差电脉冲Vg’施加至栅极上，以使光电探测器在第三预设时长t3内快速恢复至初始态，提升光电探测器的恢复速度。
具体地，在一个探测周期内，加快恢复速度的栅极电压的施加时机，和外界光消失的时间直接相关，即负栅压施加的时间点为光照消失之后，此时光电流开始下降使得外部电路产生相应反馈并施加对应的柵压条件，且施加该柵压的时间点尽可能接近光照消失的时间点。施加提升恢复速度的负栅压的持续时间为光照产生的源漏电流恢复至初始Ids所需时间，其远小于光电探测器在没有反馈栅压作用时的本征恢复时间，以保证光电探测器能够快速恢复。
根据本公开的实施例，如图4所示，以光电探测器的沟道材料为N型半导体材料为例，在步骤S203中施加的正栅压差电脉冲Vg大于初始电压V0，在步骤S204中负栅压差电脉冲Vg’小于初始电压V0。而光电探测器的沟道材料为P型半导体材料时，栅压差(Vg-V0)的正负极性与N型沟道材料的光电探测器相反，即步骤S203中施加的正栅压差电脉冲Vg小于初始电压V0，在步骤S204中施加的负栅压差电脉冲Vg’大于初始电压V0。
如图6所示，图6a、6b及6c分别为无外反馈电路(原始状态)、常态负栅压及常态正栅压的光电探测器的光电流响应曲线，6d示意了本公开实施例的交变栅极调控方法的光电探测器的光电流响应曲线。如图6a所示，由于其响应度不够且恢复速度缓慢，通常性能较差的光电探测器的光电流响应曲线并不会呈方波形，而是呈现出一定弧度。以N型半导体三端光电探测器为例，如图6b所示，在栅极施加常态负栅压，恢复速度极快但牺牲了响应度；如图6c所示，施加常态正栅压得到响应度的提高，但却恶化了恢复速度，影响重复的光探测。但是基于本公开提供的交变栅极调控方法，如图6d所示，可以在一个探测周期内实现响应度和恢复速度的同步提升。
基于特定的器件结构本身，基于本公开提出的调节方法，即交变栅压调控方法，对于N(P)型沟道器件，使用正(负)极性栅压差的调制方案以增强响应度，使用负(正)极性栅压差的调制方案以加快恢复速度，使探测器在响应与恢复时处在不同的积累或者耗尽工作模式。基于此，可在一个探测周期内同时实现响应度和恢复速度的提升，从而解决响应度和恢复速度的本征矛盾。
本公开还提供一种光电探测器的调节方法在太赫兹或红外光或可见光或紫外或X射线晶体管结构探测器上的应用。
本公开提供的方法所立足的物理机理为，半导体材料在受到光照后，会额外产生两种载流子，分别为空穴(带正电)和电子(带负电)，则它们会带来额外的电流。而光照结束后，这些额外产生的载流子会一一对应地复合消失，电流也会恢复到光照前的状态。
以基于N型氧化镓的紫外光电探测器为例，由磁控溅射生长的非晶氧化镓薄膜中存在缺陷态，捕获了光照时额外产生的载流子，也延缓了两种载流子的复合，限制了响应度的同时也产生了PPC效应。采用本公开提供的调节方法，只需要一个栅极作为正/负栅压差电脉冲的输入。由于平行电容板效应，在栅极上施加电压，能在氧化镓薄膜中感应出相对应的带电粒子。举例而言，施加正栅压差电脉冲能够感应出带负电的电子，施加负栅压差电脉冲能感应出带正电的空穴。对于氧化镓这类的N型半导体，正栅压差电脉冲产生电子，提高电导率，负栅压差电脉冲耗尽电子，降低了电导率。在本公开的实施例中，通过施加正栅压差电脉冲，可以将费米能级提高，弱化缺陷态的捕获作用；通过施加负栅压差电脉冲，可以将光照后产生的额外电子迅速复合/耗尽掉，恢复效果明显且迅速，即在一个周期内同时提升器件的响应度和恢复时间。
需说明的是，本公开的实施例中，上述光电探测器的结构仅为示例性的说明，其并不构成本方法适用的探测器结构的限定，在实际应用过程中，其也可以为其他结构的替代，例如探测器结构还包括其他材料层等，其包括但不仅限于绝缘材料层、源极、漏极、栅极及沟道层。
本公开的实施例公开了一种光电探测器的调节方法及其应用，在不引入工艺复杂度的情况下，解决响应度和恢复速度的内部矛盾并实现两者的同步提升，改进成本低。且除优化响应度、恢复速度的提升外，该交变栅调控方法同时能够提升器件的光暗电流比、量子效率、探测率等指标。本方法对于各种N型及P型半导体沟道光电探测器、各种波段的光电探测器，以及基于载流子传输机制的气敏、压力等传感器均适用。
本公开提供的调节方法是通过交变栅压调控方式，即对三端探测器件的栅极进行一定的电压正负交替输入来控制探测器的性能表现，以达到响应度和恢复速度的同步提升，克服半导体光电探测器的本征矛盾。如前述所示，为达到改善响应度，以及降低PPC效应从而全面提升器件探测性能的目的，现阶段的研究大多从材料生长和器件结构的角度思考，但无一例外的增加了器件制作成本及时间成本。
对于特定的器件，响应度和响应速度的提升存在本征矛盾，提升其一，必定损伤其二。基于器件的材料、工艺、器件结构的优化，即使实现了对器件响应度、响应速度的提升，响应度和响应速度的本征矛盾依然存在。本公开提供的调节方法在不引入工艺复杂度的情况下，解决响应度和响应速度的本征矛盾，实现两者的同步提升。
另外，这种交变栅压调控方式对器件材料的性能几乎没有要求，无须注重薄膜材料的质量，仅需要将光电探测器制成三端结构，也就是具有栅极。基于特定器件本身，利用本公开提供的交变栅压调控方案，以N型半导体探测器为例，使用正极性的栅压差以增强响应度，负极性的栅压差加快恢复速度，使探测器在响应或恢复时分别处在不同的积累或者耗尽工作模式。通过本公开提供的调节方法，能够在一个探测周期内同时实现响应度和恢复速度的提升，从而解决响应度和响应速度的内部矛盾。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (7)

1.一种光电探测器的调节方法，所述光电探测器包括：源极、漏极、栅极及沟道层，所述沟道层位于所述栅极上方，所述源极及所述漏极分别位于所述沟道层两侧；其中，
在所述源极与所述漏极间施加初始电压Vds，栅极施加初始电压V0，以使所述光电探测器在第一预设时长内处于耗尽状态；
在所述源极与所述漏极间设置正反馈电路，用于检测源漏极两端的电流Ids的变化；所述正反馈电路包括放大器及反馈电路，所述放大器用于放大所述电流Ids的变化趋势，所述反馈电路用于判断所述电流Ids的变化趋势，并根据所述电流Ids的变化趋势将相应的正栅压差电脉冲Vg或负栅压差电脉冲Vg’施加至所述栅极上；
将所述光电探测器光照第二预设时长，以使所述正反馈电路根据检测到的所述电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至所述栅极上，提升所述光电探测器的响应度；所述将所述光电探测器光照第二预设时长，以使所述正反馈电路根据检测到的所述电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至所述栅极上，包括：将所述光电探测器进行光照第二预设时长，则所述电流Ids随着光照变大，所述放大器将所述电流Ids的变大趋势放大，以使所述反馈电路根据检测到的所述电流Ids变大趋势后将正栅压差电脉冲Vg施加至所述栅极上；
在所述第二预设时长后撤销光照，所述正反馈电路根据检测到的所述电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至所述栅极上，以使所述光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态，提升所述光电探测器的恢复速度；所述在所述第二预设时长后撤销光照，所述正反馈电路根据检测到的所述电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至所述栅极上，以使所述光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态，包括：所述在所述第二预设时长后撤销光照，则所述电流Ids随着光照撤销后变小，所述放大器将所述电流Ids的变小趋势放大，则反馈电路根据检测到的所述电流Ids变小趋势后将负栅压差电脉冲Vg’施加至所述栅极上，以使所述光电探测器在第三预设时长内恢复至初始态。
2.根据权利要求1所述的光电探测器的调节方法，其中，当所述光电探测器的沟道材料为N型半导体材料时，所述正栅压差电脉冲Vg大于所述初始电压V0，所述负栅压差电脉冲Vg’小于所述初始电压V0；当所述光电探测器的沟道材料为P型半导体材料时，所述正栅压差电脉冲Vg小于所述初始电压V0，所述负栅压差电脉冲Vg’大于所述初始电压V0。
3.根据权利要求1所述的光电探测器的调节方法，其中，所述第三预设时长小于所述光电探测器的本征恢复时间。
4.根据权利要求1所述的光电探测器的调节方法，其中，所述第一预设时长、所述第二预设时长及所述第三预设时长之和为所述光电探测器的探测周期。
5.根据权利要求1所述的光电探测器的调节方法，其中，所述将所述光电探测器光照第二预设时长，包括：
采用紫外光或可见光将所述光电探测器光照第二预设时长。
6.根据权利要求1所述的光电探测器的调节方法，其中，所述光电探测器还包括：绝缘电介质层，其位于所述沟道层与所述栅极间。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的光电探测器的调节方法在太赫兹或红外光或可见光或紫外或X射线晶体管结构探测器上的应用。
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