CN114512568B - 一种光探测器、光探测器的制备方法及其响应度调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光探测器、光探测器的制备方法及其响应度调控方法，涉及光探测器技术领域，以解决光探测器的响应度不具有非易失性的问题。所述光探测器包括：衬底。形成在衬底上的功能层。形成在功能层上的两个电极。形成在功能层位于两个电极之间的部位上的透光保护层。以及形成在透光保护层内的GST相变层。所述光探测器的制备方法包括上述技术方案所提的光探测器。本发明提供的光探测器的制备方法用于制备光探测器。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域，尤其涉及一种光探测器、光探测器的制备方法及其响应度调控方法。
背景技术
光探测器是构成图像传感器的基本元件，可实现小尺寸、低功耗、低延时和高能效，将广泛用于人工智能和万物智联。其中，光探测器的响应度是决定该光探测器性能的一个重要指标。为了扩大光探测器的应用范围，构建智能感存算一体图像传感器，光探测器的响应度要具有能非易失可调性。
但是，目前现有的光探测器的响应度只能通过增加不同的偏置电压进行调控，去除偏压后，响应度又恢复原本数值，不具有非易失可调性，这大大降低了光探测器的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光探测器、光探测器的制备方法及其响应度调控方法，用于制备一种响应度可以非易失可调的光探测器。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光探测器，包括：
衬底。
形成在所述衬底上的功能层，所述功能层与所述衬底之间具有PN结。
形成在所述功能层上的两个电极。
形成在所述功能层位于两个所述电极之间的部位上的透光保护层。
以及形成在所述透光保护层内的GST相变层，所述GST相变层与每个所述电极绝缘。
与现有技术相比，本发明提供的光探测器中，由于具有形成在透光保护层内的GST相变层，使得当脉冲激光照射在GST相变层上时，GST相变层的晶化程度发生变化，从而改变了透射到光探测器上的光功率，使得该光探测器的响应度发生变化。在实际应用中，可以使用不同辐射能量的激光脉冲照射在该光探测器上，从而调节该光探测器上的GST相变层的晶化程度，使得该光探测器的响应度可以根据激光脉冲的辐射能量值的大小进行调控，从而使得该光探测器的响应度具有可调节性，扩大了该光探测器的应用场景。同时，由于GST相变层的相变是具有非易失性的，在移除激光脉冲后，GST相变层的晶化程度维持不变，从而保证了光探测器的响应度可以维持不变，即该光探测器的响应度具有非易失性。在此基础上，由于GST相变层形成在透光保护层内部，且透光保护层形成在功能层位于两个电极之间的部位上，因此，可以在该透光保护层的保护下，使GST相变层和每个电极以及下层的功能层之间绝缘，从而避免影响该光探测器的准确性。同时，还可以保护GST相变层免受空气的侵蚀，维持较好的稳定性，从而增加了该光探测器的使用寿命。
综上，本发明提供的光探测器可实现光响应度非易失连续可调，可用于构建智能感存算一体图像传感器，广泛用于智能终端，服务人工智能和万物智联。
本发明还提供一种光探测器的制备方法，用于制备上述技术方案所述的光探测器，所述光探测器的制备方法包括：
提供一表面形成有功能层的衬底，所述功能层与所述衬底之间具有PN结。
在所述功能层上形成两个电极。
在所述功能层位于两个所述电极之间的部位上形成第一透光保护层。
在所述第一透光保护层上形成GST相变层。
在所述GST相变层上形成第二透光保护层，靠近每个所述电极的方向，所述第二透光保护层与所述第一透光保护层接触，使得所述GST相变层包裹在所述第一透光保护层和所述第二透光保护层之间。
与现有技术相比，本发明提供的光探测器的制备方法的有益效果与上述技术方案所述光探测器的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示例出本发明实施例提供的一种光探测器的结构示意图；
图2A~2F为本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的流程框图；
图4为本发明实施例提供的一种光探测器的响应度调控方法的流程框图。
附图标记：
1-衬底， 2-功能层；
3-电极， 4-GST相变层；
5-透光保护层， 51-第一透光保护层；
52-第二透光保护层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示例出本发明实施例提供的一种光探测器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的光探测器从下至上依次包括：衬底，功能层，两个电极，透光保护层和GST相变层。
如图1所示，上述功能层形成在衬底上，且该功能层与衬底之间具有PN结，以增强该光探测器的光响应度。
在实际应用中，为了使该功能层与衬底之间具有PN结，上述衬底可以是N型掺杂的半导体衬底，上述功能层可以为P型掺杂的半导体层，当然，其他符合要求的衬底和功能层也可以选择。此时，该衬底可以为N型掺杂的硅衬底，也可以为N型掺杂的锗衬底等，在此不做限定。该功能层可以为石墨烯层等，在此不做限定。选用石墨烯材料作为功能层，其载流子迁移率高，可以吸收任意波长的光且响应速度快，能够实现宽光谱的光探测。且石墨烯层位于光探测器的结构中间，可以增强光探测器的响应度。此处需要说明的是，当上述功能层为石墨烯层时，该石墨烯层优选单层CVD石墨烯层，使用该单层CVD石墨烯层制备得到的光探测器的性能较好。
如图1所示，上述两个电极形成在功能层上，用于收集并导出电流。在实际应用中，两个电极可以分别形成在功能层的两侧，成电极对的形式存在，以便于收集电流。具体的，上述每个电极可以包括位于顶层的金属电极层和位于底层的金属电极粘附层。其中，金属电极层的材质可以为金、铝、铜中的至少一种，例如，该金属电极的材质可以为金，可以为铝，也可以为铜等。金属电极粘附层的材质可以为钛、铬、钯中的至少一种，例如，该金属电极粘附层的材质可以为钛，可以为铬，也可以为钯等。该金属电极层的厚度可以为100nm~200nm，例如，该金属电极层的厚度可以为100nm，可以为110nm，也可以为200nm等。金属电极粘附层的厚度为1nm~10nm，例如，该金属电极粘附层的厚度可以为1nm，可以为5nm，也可以为10nm等。
如图1所示，上述透光保护层形成在功能层位于两个电极之间的部位上，该透光保护层用于隔开GST相变材料层和功能层、两个电极以及空气的接触，以提高该GST相变材料层的使用寿命、提高该光探测器的光电响应准确度。
在实际应用中，为了降低生产成本，保证上述透光保护层的绝缘性能，该透光保护层的厚度可以为10nm~20nm。例如，该透光保护层的厚度可以为10nm、可以为15nm、也可以为20nm等。该透光保护层的材质可以为透光绝缘材料，例如，该透光绝缘材料可以为有机绝缘材料，也可以为无机绝缘材料。具体的，该透光保护层的材质可以为二氧化硅、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯中的至少一种。例如，该透光保护层的材质可以为二氧化硅、可以为聚酯树脂、可以为聚酰亚胺、可以为聚对二甲苯，可以为二氧化硅和聚酯树脂、也可以为聚酰亚胺和聚对二甲苯等。
如图1所示，上述GST相变层形成在透光保护层内，且透光保护层包裹GST相变层设置。具体的，GST相变层与每个电极通过透光保护层接触相应电极的部位绝缘。由于GST相变层会导电，因此使用透光保护层包裹GST相变层，可以使得GST相变层与每个电极绝缘，与功能层绝缘，从而提高该光探测器的光电响应准确度。由于过薄的GST相变层对光的吸收变化不会很大，响应度调节效果不好，过厚的GST相变层的成本高，且会影响衬底和功能层对光线的吸收，因此，该GST相变层的厚度可以为10nm~200nm。例如，该GST相变层的厚度可以为10nm、可以为150nm、也可以为200nm等。该GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度小于或等于100%，通过使用激光脉冲可以迅速实现GST相变材料在晶态和非晶态之间的可逆相变，从而调节该光探测器的响应度。
由上可知，在本发明提供的光探测器中，由于具有形成在透光保护层内的GST相变层，使得当脉冲激光照射在GST相变层上时，GST相变层的晶化程度发生变化，从而改变了透射到光探测器上的光功率，使得该光探测器的响应度发生变化。在实际应用中，可以使用不同辐射能量的激光脉冲照射在该光探测器上，从而调节该光探测器上的GST相变层的晶化程度，使得该光探测器的响应度可以根据激光脉冲的辐射能量值的大小进行调控，从而使得该光探测器的响应度具有可调节性，扩大了该光探测器的应用场景。同时，由于GST相变层的相变是具有非易失性的，在移除激光脉冲后，GST相变层的晶化程度维持不变，从而保证了光探测器的响应度可以维持不变，即该光探测器的响应度具有非易失性。在此基础上，由于GST相变层形成在透光保护层内部，且透光保护层形成在功能层位于两个电极之间的部位上，因此，可以在该透光保护层的保护下，使GST相变层和每个电极以及下层的功能层之间绝缘，从而避免影响该光探测器的准确性。同时，还可以保护GST相变层免受空气的侵蚀，维持较好的稳定性，从而增加了该光探测器的使用寿命。
综上，本发明提供的光探测器可实现光响应度非易失连续可调，可用于构建智能感存算一体图像传感器，广泛用于智能终端，服务人工智能和万物智联。
本发明实施例还提供一种光探测器的制备方法，用于制备上述技术方案中提到的光探测器。图2A~2F为本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的流程示意图，图3为本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的流程框图。如图2A~2F和图3所示，该光探测器的制备方法包括：
步骤110：提供一表面形成有功能层的衬底，该功能层与衬底之间具有PN结。
在实际应用中，当上述衬底为N型硅衬底，上述功能层为单层CVD石墨烯层时，可以先对N型硅衬底进行预处理，然后在预处理后的N型硅衬底上通过干法转移工艺或者湿法转移工艺形成一层单层CVD石墨烯层。此处需要说明的是，对N型硅衬底的预处理为常规工艺，在此不作限定。
步骤120：在功能层上形成两个电极。在实际应用中，可以先设计合适尺寸的电极掩模版，然后进行光刻，光刻结束后，采用金属沉积工艺，在功能层上沉积两个电极图案，首先生长5nm的金属电极粘附层，然后生长150nm的金属电极层，这里的金属电极黏附层可以为钛黏附层等，金属电极层可以为金电极等。
步骤130：在功能层位于两个电极之间的部位上形成第一透光保护层。在实际应用中，可以使用物理气相沉积工艺在两个电极之间的部位上形成第一透光保护层。此处需要注意的是该第一透光保护层的厚度不能过厚，过厚的第一透光保护层的生长时间较长，成本较高，同时，该第一透光保护层的厚度不能过薄，过薄的第一透光保护层的绝缘性能没有保障。
步骤140：在第一透光保护层上形成GST相变层。在实际应用中，可以使用磁控溅射工艺在第一透光保护层上形成GST相变层。此处需要说明的是，为了防止GST相变层与两个电极接触，对该光探测器的准确性产生影响，该GST相变层的长度应小于第一透光保护层的长度，以保证该GST相变层与两个电极之间具有空隙。该第一透光保护层的材质可以为二氧化硅、可以为聚酯树脂、可以为聚酰亚胺、也可以为聚对二甲苯等。
步骤150：在GST相变层上形成第二透光保护层，靠近每个电极的方向，第二透光保护层与第一透光保护层接触，使得GST相变层包裹在第一透光保护层和第二透光保护层之间。
在实际应用中，可以使用物理气相沉积工艺在两个电极之间的部位上形成第二透光保护层。此处需要说明的是，该第二透光保护层通过GST相变层与两个电极之间的空隙，与第一透光保护层连接在一起，以保证上述GST相变层被包裹在第一透光保护层和第二透光保护层之间，从而保护GST相变层的稳定性，使得GST相变层分别与两个电极和功能层绝缘。该第二透光保护层的材质可以为二氧化硅、可以为聚酯树脂、可以为聚酰亚胺、也可以为聚对二甲苯等。其中，第一透光保护层和第二透光保护层组成了上述技术方案提到的透光保护层。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的有益效果与上述技术方案提供的一种光探测器的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明实施例还提供了一种光探测器的响应度调控方法，应用于上述技术方案提供的光探测器中。图4为本发明实施例提供的一种光探测器的响应度调控方法的流程框图。如图4所示，GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度小于或等于100%，该光探测器的响应度调控方法包括：
步骤210：基于光探测器的目标响应度，采用激光照射的方式调节GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度。具体的，该基于光探测器的目标响应度，采用激光照射的方式调节GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度包括：首先，确定目标响应度与光探测器的实际响应度不同的情况下，根据光探测器的响应程度与GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度的对应关系，确定光探测器的目标响应度对应的GST相变层含有的GST相变材料的目标晶化程度。然后，根据GST相变材料的晶化程度与激光的参数的对应关系，确定目标激光参数。最后，根据目标激光参数，控制激光设备照射GST相变层。
在实际应用中，上述光探测器的响应程度与GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度的对应关系以及GST相变材料的晶化程度与激光的参数的对应关系可以使用实验测得并记录形成对应关系表格。具体的，可以先使用第一激光参数的激光脉冲照射该光探测器的GST相变层，测试该光探测器的响应度，并在表格中记录该光探测器的响应度、GST相变层晶化程度和激光参数，形成第一组对应关系；然后通过逐渐变化激光参数，记录多组光探测器的响应度、GST相变层晶化程度和激光参数，形成多组对应关系，从而得到该光探测器的响应度、GST相变层晶化程度和激光参数的对应关系表格。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种光探测器的制备方法的有益效果与上述技术方案提供的一种光探测器的有益效果相同，在此不做赘述。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光探测器，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的功能层，所述功能层与所述衬底之间具有PN结；
形成在所述功能层上的两个电极；
形成在所述功能层位于两个所述电极之间的部位上的透光保护层；
以及形成在所述透光保护层内的GST相变层，所述GST相变层与每个所述电极绝缘。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述GST相变层与每个所述电极通过所述透光保护层接触相应所述电极的部位绝缘。
3.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述GST相变层的厚度为10nm~200nm；和/或，
所述GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度小于或等于100%。
4.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述透光保护层的厚度为10nm~20nm。
5.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述透光保护层的材质为透光绝缘材料，所述透光绝缘材料为有机或无机绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述透光保护层的材质为二氧化硅、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚对二甲苯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述透光保护层包裹所述GST相变层。
8.一种光探测器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1~7任一项所述的光探测器，所述光探测器的制备方法包括：
提供一表面形成有功能层的衬底，所述功能层与所述衬底之间具有PN结；
在所述功能层上形成两个电极；
在所述功能层位于两个所述电极之间的部位上形成第一透光保护层；
在所述第一透光保护层上形成GST相变层；
在所述GST相变层上形成第二透光保护层，靠近每个所述电极的方向，所述第二透光保护层与所述第一透光保护层接触，使得所述GST相变层包裹在所述第一透光保护层和所述第二透光保护层之间。
9.一种光探测器的响应度调控方法，其特征在于，应用于权利要求1~7任一项所述的光探测器，所述GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度小于或等于100%，所述光探测器的响应度调控方法包括：
基于所述光探测器的目标响应度，采用激光照射的方式调节所述GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度。
10.根据权利要求9所述的光探测器的响应度调控方法，其特征在于，所述基于所述光探测器的目标响应度，采用激光照射的方式调节所述GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度，包括：
确定所述目标响应度与所述光探测器的实际响应度不同的情况下，根据所述光探测器的响应程度与所述GST相变层含有的GST相变材料的晶化程度的对应关系，确定所述光探测器的目标响应度对应的所述GST相变层含有的GST相变材料的目标晶化程度；
根据所述GST相变材料的晶化程度与所述激光的参数的对应关系，确定目标激光参数；
根据所述目标激光参数，控制激光设备照射所述GST相变层。
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