CN114582993B - 光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及了一种光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用。一种光电传感器包括：衬底；绝缘层，设置于衬底上；探测及成像层，设置于绝缘层上；至少一组源电极和漏电极，设置于探测及成像层上并一个延伸方向上依次设置，源电极和漏电极延伸出探测及成像层的部分与绝缘层接触；其中，探测及成像层的导电率响应于入射的可见光发生变化。通过机械剥离在衬底上得到二维正交相磷化硅纳米带作为探测及成像层，将掩膜覆盖至二维正交相磷化硅表面并沉积源电极和漏电极，构建二维正交相磷化硅光电探测器，实现对可见光的高敏感度探测，并利用这一性质应用于光图像传感器，实现对物体的成像。
Description
技术领域
本公开涉及光电领域，具体地，涉及一种光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用。
背景技术
光电探测器作为一种常见的半导体元器件被广泛地应用在航天、医疗等多个领域。目前传统的光电探测器具有非常成熟的技术，但是它们普遍具有一定的体积，且难以将体积持续大幅缩小，在现在这个向小型化、高集成度发展的半导体工艺领域受到一定的制约。
二维半导体因其具有体积小、能耗低、能带可调控以及光吸收效果好等优良性能，使其在现代纳米光子学、电子学以及各种光电器件中发挥着越来越重要的作用。由二维半导体构成的光电器件具有独特的高探测率、高响应度、低暗电流以及快速响应等优势。迄今为止，已经有大量的二维半导体材料成功地应用于各种光电器件中。
二维正交相磷化硅(o-SiP)作为二维半导体材料的一种，除了具有传统二维半导体材料的优点之外，还具有合适的禁带宽度，使其对光的响应可以覆盖整个可见光波段，并且对可见光具有很高的灵敏度。当光入射到基于二维o-SiP的光电探测器后，光激发载流子引起探测器的电导率发生变化，从而将光信号转换为电信号。通过将光暗电流再分别转化为灰度值，就可以进一步将电信号转化为图像，从而实现在可见光背景下的高清晰度成像。二维正交相磷化硅拥有二维材料的表面无悬挂键、体积小等优点，载流子在二维材料内的扩散时间较短，使得光电探测器响应速度较高并且易于组装，可应用于射线测量、光度计量等需要使用高敏感度可见光探测器的领域。同时，由于二维正交相磷化硅具有低暗电流和高开关比等特点，在减小体积的同时也能保持良好的性能。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种光电传感器包括：衬底；绝缘层，设置于衬底上；探测及成像层，设置于绝缘层上；至少一组源电极和漏电极，设置于探测及成像层上并一个延伸方向上依次设置，源电极和漏电极延伸出探测及成像层的部分与绝缘层接触；其中，探测及成像层的导电率响应于入射的可见光发生变化。
根据本公开的实施例，通过测试电路板向源电极和漏电极施加偏置电压的情况下，响应于入射的可见光，探测及成像层的光电流与暗电流的比值可达到104量级，当光电流与暗电流数值转化成灰度值时，实现可见光条件下对物体进行成像。
根据本公开的实施例，探测及成像层选用二维层状正交相磷化硅半导体材料。
根据本公开的实施例，探测及成像层材料是通过机械剥离的方式从正交相磷化硅块体材料中剥离得到，优选地，机械剥离的方式包括胶带剥离。
根据本公开的实施例，源电极和漏电极由Au制成。
本公开的另一个方面，提供了一种光电传感器的制备方法，包括：S1：准备一具有绝缘层(11)的衬底；S2：将磷化硅通过机械剥离至绝缘层上，形成探测及成像层；S3：将长条形导电带覆盖在探测及成像层上作为掩膜；S4：在具有掩膜的探测及成像层上制备至少一组源电极和漏电极；S5：将衬底、绝缘层、探测及成像层以及源电极和漏电极整体进行封装，得到光电传感器。
根据本公开的实施例，制备源电极和漏电极的过程包括：S41：将电极材料沉积在掩膜上；S42：使用探针及对金有黏附作用的合金材料将长条形金带挑起并清除，金带被清除后留下的区域作为沟道；S43：使用探针沿沟道划出电极区域，使得电极区域与与绝缘层上沉积的导电带分开，将划出的电极区域作为源电极和漏电极。
根据本公开的实施例，电极材料沉积的方式采用蒸镀的方式。
根据本公开的实施例，合金材料为包括镓铟合金。
本公开的第三个方面，提供了一种光电传感器在图像传感器的应用，用点焊机把铝线从制成的光电探测器的源电极和漏电极的区域引出到与成像设备匹配的测试电路板上，得到图像传感器。
根据本公开的上述实施例的光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用，通过机械剥离在衬底上得到二维正交相磷化硅纳米带作为探测及成像层，将掩膜覆盖至二维正交相磷化硅表面并沉积源电极和漏电极，构建二维正交相磷化硅光电探测器，实现对可见光的高敏感度探测。
附图说明
图1是本公开实施例的光电传感器的俯视图；
图2是本公开实施例的光电传感器的截面图；
图3是本公开实施例的光电传感器的制备方法流程图；以及
图4是本公开实施例的光电传感器的敏感度性能测试图。
附图标记说明
10 衬底
11 绝缘层
12 源电极
13 漏电极
14 探测及成像层
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
传统的光电探测器普遍具有一定的体积，且难以将体积持续大幅缩小，在现在这个向小型化、高集成度发展的半导体工艺领域受到一定的制约，已经很难满足小型化、高集成度发展的要求。
探测及成像材料正交相磷化硅(o-SiP)是一种二维半导体材料。块体正交相磷化硅(o-SiP)材料易于获得且生产成本低，在应用方面具有非常好的潜力。基于正交相磷化硅(o-SiP)的光电探测器具有灵敏度高，暗电流低成像清晰度高、成品体积小等特点。除此以外，该光电探测器及图像传感器还具有生产成本低，获取难度低，并且对整个可见光范围均具有良好响应，在可见光探测器及图像传感的应用领域具有非常好的前景。
为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种光电传感器包括：衬底；绝缘层，设置于衬底上；探测及成像层，设置于绝缘层上；至少一组源电极和漏电极，设置于探测及成像层上并一个延伸方向上依次设置，源电极和漏电极延伸出探测及成像层的部分与绝缘层接触；其中，探测及成像层的导电率响应于入射的可见光发生变化。
根据本公开的另一个方面的总体上的发明构思，提供一种光电传感器的制备方法，包括：S1：准备一具有绝缘层(11)的衬底；S2：将磷化硅通过机械剥离至绝缘层上，形成探测及成像层；S3：将长条形导电带覆盖在探测及成像层上作为掩膜；S4：在具有掩膜的探测及成像层上制备至少一组源电极和漏电极；S5：将衬底、绝缘层、探测及成像层以及源电极和漏电极整体进行封装，得到光电传感器。
根据本公开的第三个方面的总体上的发明构思，提供一种光电传感器在图像传感器的应用，用点焊机把铝线从制成的光电探测器的源电极和漏电极的区域引出到与成像设备匹配的测试电路板上，得到图像传感器。
上述光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用中，通过机械剥离在衬底上得到二维正交相磷化硅纳米带作为探测及成像层，将掩膜覆盖至二维正交相磷化硅表面并沉积源电极和漏电极，构建二维正交相磷化硅光电探测器，实现对可见光的高敏感度探测，并利用这一性质构建可见光图像传感器，实现对物体的成像。
以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
图1是本公开实施例的光电传感器的俯视图；图2是本公开实施例的光电传感器的截面图。
如图1和图2所示，本公开提供一种光电传感器包括：衬底10、绝缘层11、源电极12、漏电极13和探测及成像层14。绝缘层11设置于衬底10上；探测及成像层14设置于绝缘层11上；并且至少一组源电极12和漏电极13设置于探测及成像层14上且从左至右在一个延伸方向上依次设置，源电极12和漏电极13延伸出探测及成像层14的部分与绝缘层11接触。探测及成像层14的导电率响应于入射的可见光发生变化。在源电极12和漏电极13施加偏置电压的情况下，探测及成像层14接收到可见光入射后，探测及成像层14导电率发生变化，可使光信号转换为电信号。
根据本公开的实施例，通过测试电路板向源电极12和漏电极13施加偏置电压的情况下，响应于入射的可见光，探测及成像层14的光电流与暗电流的比值可达到104量级，当光电流与暗电流数值转化成灰度值时，实现可见光条件下对物体进行成像。
根据本公开的实施例，探测及成像层14选用二维层状正交相磷化硅半导体材料。二维正交相磷化硅(o-SiP)沿着c轴层状堆叠，纳米带表面为a-b面，属于空间群为Cmc21的正交晶系结构；二维半导体材料正交相磷化硅(o-SiP)对整个可见光范围的光均具有高灵敏度的响应。此外，二维正交相磷化硅(o-SiP)是一种P型半导体材料，其载流子为空穴，且具有合适的带隙，对整个可见光波段均具有良好响应。当向源电极12和漏电极13施加偏置电压的情况下，可见光波段内的光照射在二维正交相磷化硅(o-SiP)纳米带上时，光子将价带内的电子激发到导带，产生导电的电子-空穴对，进而改变材料的电导率，实现将光信号转化成电信号。由于二维正交相磷化硅(o-SiP)暗态下电阻率大，且对可见光吸收良好，所以该材料对整个可见光波段具有灵敏度高、暗电流低的特性。
根据本公开的实施例，探测及成像层14材料是通过机械剥离的方式从正交相磷化硅块体材料中剥离得到，优选地，机械剥离的方式包括胶带剥离。
根据本公开的实施例，绝缘层11材料包括二氧化硅。
根据本公开的实施例，源电极12和漏电极13由Au制成。
图3是本公开实施例的光电传感器的制备方法流程图。
如图3所示，本公开实施例提供一种光电传感器的制备方法，包括：S1：准备一具有绝缘层(11)的衬底10；S2：将磷化硅通过机械剥离至绝缘层11上，形成探测及成像层14；S3：将长条形导电带覆盖在探测及成像层14上作为掩膜；S4：在具有掩膜的探测及成像层14上制备至少一组源电极12和漏电极13；S5：将衬底10、绝缘层11、探测及成像层14以及源电极12和漏电极13整体进行封装，得到光电传感器。
根据本公开的实施例，在制备源电极12和漏电极13的过程包括：S41：将电极材料沉积在所述掩膜上；S42：使用探针及对金有黏附作用的合金材料将长条形金带挑起并清除，金带被清除后留下的区域作为沟道；S43：使用探针沿沟道划出电极区域，使得电极区域与绝缘层11上沉积的导电带分开，将划出的电极区域作为源电极12和漏电极13。
根据本公开的实施例，电极材料沉积的方式采用蒸镀的方式，优选地，蒸镀方式选用热蒸镀，该方法可使源电极12和漏电极13具有良好的平整度并且与探测及成像层14接触良好。
根据本公开的实施例，对金有黏附作用的合金材料为包括镓铟合金。
本公开的实施例还提供了一种光电传感器在图像传感器的应用，用点焊机把铝线从制成的光电探测器的源电极12和漏电极13的区域引出到与成像设备匹配的测试电路板上，得到图像传感器。基于二维正交相磷化硅(o-SiP)暗电流低的特性，图像传感器成像清晰度高。
图4是本公开实施例的光电传感器的敏感度性能测试图。
如图4所示，图中横坐标代表测试时间，纵坐标代表电流大小。测试设备选用安捷伦b1500A，对光电探测器装置结构中的二维正交相磷化硅(o-SiP)材料进行测试，在相同的电压下测试材料受光照前后的电流变化，从而观察材料工作时的暗电流大小以及光暗电流的比值，图中可以看出有光照时光电流可达到104pA，与无光照时的暗电流的比值为104，可得二维正交相磷化硅(o-SiP)材料暗电流很低的特性。
根据本公开的上述实施例的光电传感器及其制备方法、图像传感器中的应用中，通过机械剥离在衬底上得到二维正交相磷化硅纳米带作为探测及成像层，将掩膜覆盖至二维正交相磷化硅表面并沉积源电极和漏电极，构建二维正交相磷化硅光电探测器，实现对可见光的高敏感度探测，并利用这一性质应用于可见光图像传感器，实现对物体的成像。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电传感器，包括：
衬底(10)；
绝缘层(11)，设置于所述衬底(10)上；
探测及成像层(14)，设置于所述绝缘层(11)上，其中，所述探测及成像层(14)选用二维层状正交相磷化硅半导体材料；
至少一组源电极(12)和漏电极(13)，设置于所述探测及成像层(14)上并在一个延伸方向上依次设置，所述源电极(12)和漏电极(13)延伸出所述探测及成像层(14)的部分与所述绝缘层(11)接触；
其中，所述探测及成像层(14)的导电率响应于入射的可见光发生变化。
2.根据权利要求1所述的光电传感器，其中，通过测试电路板向所述源电极(12)和漏电极(13)施加偏置电压的情况下，响应于入射的可见光，所述探测及成像层(14)的光电流与暗电流的比值可达到104量级，当光电流与暗电流数值转化成灰度值时，实现可见光条件下对物体进行成像。
3.根据权利要求1所述的光电传感器，其中，所述探测及成像层(14)材料是通过机械剥离的方式从正交相磷化硅块体材料中剥离得到。
4.根据权利要求3所述的光电传感器，其中，所述机械剥离的方式包括胶带剥离。
5.根据权利要求1所述的光电传感器，其中，所述源电极(12)和漏电极(13)由Au制成。
6.一种制备权利要求1-5中的任一项所述光电传感器的制备方法，包括：
S1：准备一具有绝缘层(11)的衬底(10)；
S2：将磷化硅通过机械剥离至所述绝缘层(11)上，形成探测及成像层(14)；
S3：将长条形导电带覆盖在所述探测及成像层(14)上作为掩膜；
S4：在具有所述掩膜的探测及成像层(14)上制备至少一组源电极和漏电极；
S5：将衬底(10)、绝缘层(11)、探测及成像层(14)以及源电极(12)和漏电极(13)整体进行封装，得到所述光电传感器。
7.根据权利要求6所述的光电传感器的制备方法，其中，制备源电极(12)和漏电极(13)的过程包括：
S41：将电极材料沉积在所述掩膜上；
S42：使用探针及对金有黏附作用的合金材料将长条形金带挑起并清除，所述长条形金带被清除后留下的区域作为沟道；
S43：使用探针沿沟道划出电极区域，使得电极区域与所述绝缘层(11)上沉积的导电带分开，将划出的电极区域作为源电极(12)和漏电极(13)。
8.根据权利要求7所述的光电传感器的制备方法，其中，电极材料沉积的方式采用蒸镀的方式。
9.根据权利要求7所述的光电传感器的制备方法，其中，所述合金材料为包括镓铟合金。
10.一种根据权利要求1-5中的任一项所述的光电传感器在图像传感器的应用，用点焊机把铝线从制成的光电探测器的源电极(12)和漏电极(13)的区域引出到与成像设备匹配的测试电路板上，得到图像传感器。
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