CN117199166A - 一种极化场调控的正负光响应探测器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光响应探测器，具体涉及一种极化场调控的正负光响应探测器及其制备方法和应用，由衬底、栅电极、铁电层、低维半导体和源漏电极；栅电极设有一对，间隔固定设置于衬底上；铁电层固定设置于衬底上并完全包覆栅电极；低维半导体固定设置于铁电层上；源漏电极包括一源电极和一漏电极，分离设置于低维半导体两侧并固定设置于铁电层上。与现有技术相比，本发明基于PN内建电场工作的光电探测器具有高速高灵敏的特性；在脉冲电压调制下响应率由正到负连续线性可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种光响应探测器，具体涉及一种极化场调控的正负光响应探测器及其制备方法和应用。
背景技术
人类可以凭借强大的智能视觉系统，在低能耗的条件下清晰有效地同步探测和处理周围环境信息。因此，基于新器件来构建一种高效的智能视觉系统是人类梦寐以求的目标。尽管人们在模拟人脑的视觉皮层以实现“看”的功能方面付出了巨大的努力，传统视觉处理系统中物理上分离的传感、内存和处理单元导致了大量的能量耗费、时间延迟和额外的硬件成本。特别是随着物联网的高速发展和日益增加的图像分辨率需求带来视觉信息的爆炸式增长，带宽限制将进一步限制信息内容在传感与计算核之间的传送效率，这是智能工业、自动驾驶和智能安防等需要进行实时处理和决策制定的应用领域中亟待解决的挑战。
为了模拟大脑对信息的高效处理，当前的人工视觉传感装置仍然还需要进一步整合智能感知能力，以实现融合感存算的类脑智能视觉。这就要求终端传感器件要同时具备人眼视网膜的诸多仿生功能。人眼视网膜中的细胞主要是感光细胞和双极细胞。感光细胞将入射光转换为电学信号，流经双极细胞，通过双极细胞的生物特性对电学信息进行预处理后，图像信息仅保留其主要特征，再传输至大脑皮层进行进一步的图像处理和理解。得益于先进加工技术和能带结构的多场调控效应，诸多的光电器件被报道可以同时模拟感光细胞的光电转换和后续突触权重调节的仿生功能，并实现感存算一体的图像处理。然而，尽管在提升效率和处理动态相关任务中发挥极其重要的作用，视网膜中双极细胞功能很少在仿生器件中实现。这是因为双极细胞通过其树突上的不同谷氨酸受体把感光细胞传递过来的电学信号分流为开和关信号。这个开和关信号对应于仿生视觉器件中正光电响应和负光电响应，而在同一个光电器件中同时实现可编程的正光电信号和负光电信号是有挑战的。
专利CN112542515A公开了一种光电调控神经突触晶体管，所述晶体管由下至上依次包括衬底、背栅电极、铁电薄膜、沟道层和光增透层，所述光增透层两端分别设置有源电极和漏电极，其中，所述沟道层的材料包括一层或多层低维材料，并且至少有一层低维材料与所述源漏电极接触，其中，所述低维材料为二维材料或一维材料；所述铁电薄膜具有铁电极化效应，且极化翻转特性受所述背栅电极调控。从功能上而言，该专利仅公开了一种神经突触器件，负责改变前后神经元的连接强度；从器件性能上来看，该专利所展示的器件只有正的器件响应，综上，该专利所提出的器件无法满足双极细胞的模拟。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种极化场调控的正负光响应探测器及其制备方法和应用，实现了在同一个光电器件中同时实现可编程的正光电信号和负光电信号。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种极化场调控的正负光响应探测器，由衬底、栅电极、铁电层、低维半导体和源漏电极；
所述的栅电极设有一对，间隔固定设置于衬底上；
所述的铁电层固定设置于衬底上并完全包覆栅电极；
所述的低维半导体固定设置于铁电层上；
所述的源漏电极包括一源电极和一漏电极，分离设置于低维半导体两侧并固定设置于铁电层上。
优选地，所述的衬底为绝缘衬底。
优选地，所述的衬底为Si/SiO2或蓝宝石衬底。
优选地，所述的栅电极为Cr/Au底栅电极，厚度为10nm/10nm，两栅电极之间间隔距离为1μm。
优选地，所述的铁电层为P(VDF-TrFE)铁电材料。铁电层的厚度只需要使其能具有铁电性即可，比如可以设置铁电层厚度为300nm。优选地，所述的低维半导体对准栅电极设置。
优选地，所述的低维半导体为双极性二维或者一维半导体，如WSe2，MoTe2。
优选地，所述的源漏电极为Cr/Au源漏电极，厚度为15nm/45nm，沟道宽度为10μm。
本发明第二方面公开了一种制备如上任一所述的极化场调控的正负光响应探测器的方法，包括如下步骤：
在衬底上通过光刻工艺间隔制备一对栅电极，随后通过旋涂法在衬底上制备铁电层并进行退火；在铁电层上通过半导体转移技术制备低维半导体，随后通过紫外光刻法制备电极图形，通过热蒸发技术制备源漏电极并通过lift-off方法剥离金属膜，得到所述的正负光响应探测器。
优选地，所述的退火为：在135℃下退火2小时。
本发明第三方面公开了一种如上任一所述的极化场调控的正负光响应探测器在智能视觉系统中的应用。
优选地，该正负光响应探测器在智能视觉系统中作为人眼视网膜的感光细胞、双极细胞以及与大脑皮层连接的突触使用。
在本方案中，基于裂栅器件结构，我们利用极化电场调控低维半导体能带结构，构建了高速高灵敏的PN结和NP结型光电探测器，其中PN结光照下产生负光电流，NP结光照下产生正光电流，通过对裂栅电极施加脉冲电压使光电流从正到负连续线性可调，在同一个光电器件中同时实现可编程的正光电信号和负光电信号。
本发明的工作原理为：
器件未极化时对光没有响应。通过对栅电极施加脉冲电压可以极化铁电材料，左/右栅电极分别施加正/负(负/正)脉冲电压时，极化材料左右分别极化向上/下(下/上)，对应的器件状态为NP(PN)结，进一步加大铁电场强度，响应变强。
通过施加脉冲电压实现PN和NP结的连续调控，其调节关系为电压脉冲→铁电场→PN结能带结构→器件光电流。即可以通过在栅电极上施加脉冲电压实现相同光照条件下器件光电流正负之间的连续可调。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)基于PN内建电场工作的光电探测器具有高速高灵敏的特性，进而其可以在提升效率和处理动态相关任务中发挥重要作用，为实现智能视觉系统的感存算一体的图像处理提供基础。
(2)本器件光响应电流在脉冲电压调制下响应率由正到负连续线性可调，且器件可以实现多个周期循环，使其可以在智能视觉系统中同时实现可编程的正光电信号和负光电信号。
(3)本器件在同一响应状态下对不同光强的入射光呈线性响应，为灰度图像处理提供前提条件。
(4)工作时器件既不需要偏压也不需要栅压，实现自驱动。
(5)本器件在形成阵列后能够实现感存算一体的功能，能够涵盖突触和神经元的作用；进一步，本器件还具有正负光相响应(权值)的功能，对于实现仿生人工视觉神经系统意义重大。
附图说明
图1为实施例1的探测器的制备过程示意图；
图2为实施例1的探测器的工作原理示意图；
图3(a)为电压脉冲调制下器件光电流的变化；图3(b)为多个循环下器件光电流的变化；
图4为实施例1的探测器同一光照条件不同极化状态时器件的电流随时间的变化图；
图5为实施例1的探测器在不同极化状态下光电流对光功率的响应关系图；
图6为本发明的探测器的正负光响应的转化原理示意图；
图中：1-衬底；2-栅电极；3-铁电层；4-低维半导体；5-源漏电极；51-源电极；52-漏电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明专利的核心在于利用铁电场实现了PN结能带与NP结能带的连续可调，其中，NP结在光照下能产生负光电流，PN结在光照下能产生正光电流，二者之间的逐渐转变就形成了从负到正连续可调的光电流，而半导体PN结和NP结能带的调控则是依赖于铁电极化场。如图6所示，并请参考图2的结构，从上至下分别是低维半导体4材料能带图，低维半导体4和铁电材料，其中，铁电材料中的箭头表示其极化方向。可以看到，左侧的铁电材料(即栅极1上面的铁电材料，参考图2中的栅极1的位置)极化向上时，其铁电极化电场会对低维半导体4材料形成N型掺杂，右侧的铁电材料(即栅极2上面的铁电材料，参考图2中的栅极2的位置)极化向下时，其铁电极化电场会对低维半导体4材料形成P型掺杂，这样就构建了一个NP结。此时，我们利用脉冲电压施加在栅极1和2上面，使两边的极化电畴部分翻转，这样两边的铁电场变弱，导致对于左边的半导体N型掺杂也变弱，右边的P型掺杂也变弱，那这时候形成一个内建电场比1要小的NP结，如图6(b)所示。进一步在栅极1和2上面施加脉冲电压，继续使铁电层3翻转，这时左边的铁电极化向下，右边的向上，低维半导体4形成一个弱的PN结，如图6(c)所示。继续在栅极1和2上面施加脉冲电压，反向极化电场变强，形成和图6(a)中内建电场大小一样方向相反的PN结，如图6(d)。其调控关系为电压脉冲→铁电畴→PN结内建电场→器件光电流。需要说明的是，图6所表现的仅是转化过程中的部分节点状态，而并非完整的变化过程，实际变化为连续变化；另外，图6所展示的为由NP结转化为PN结的变化过程，由PN结转化为NP结的变化过程与图6所展示的一致，区别在于极化方向相反。
一种制备如上的极化场调控的正负光响应探测器的方法，包括如下步骤：
在衬底1上通过光刻工艺间隔制备一对栅电极2，随后通过旋涂法在衬底1上制备铁电层3并进行退火；在铁电层3上通过半导体转移技术制备低维半导体4，随后通过紫外光刻法制备电极图形，通过热蒸发技术制备源漏电极5并通过lift-off方法剥离金属膜，得到正负光响应探测器。
其中，退火为：在135℃下退火2小时。
该极化场调控的正负光响应探测器用于在智能视觉系统中的应用。
优选地，该正负光响应探测器在智能视觉系统中作为人眼视网膜的感光细胞、双极细胞以及与大脑皮层连接的突触使用。
实施例1
一种极化场调控的正负光响应探测器，如图1-5所示，由衬底1、栅电极2、铁电层3、低维半导体4和源漏电极5；
栅电极2设有一对，间隔固定设置于衬底1上；
铁电层3固定设置于衬底1上并完全包覆栅电极2；
低维半导体4固定设置于铁电层3上；
源漏电极5包括一源电极51和一漏电极52，分离设置于低维半导体4两侧并固定设置于铁电层3上。
如图1所示，本实施例的探测器采用如下步骤制备：
步骤(1)：在绝缘衬底1(比如Si/SiO2或蓝宝石衬底，本实施例采用蓝宝石衬底)上采用光刻工艺制备一对Cr/Au底栅电极2，如图1(a)所示，其中Cr/Au电极厚度为10nm/10nm，两电极间隔1μm。
步骤(2)：制备铁电功能层。运用旋涂法在衬底1上制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，如图1(b)所示，并在135℃温度下退火2小时保证其结晶特性；本实施例中的铁电层3设置为300nm。
步骤(3)：在铁电层3上通过半导体转移技术制备双极性二维半导体层(低维半导体层4，具体可以选用如WSe2或MoTe2，本实施例中可以选用WSe2)，使其位置与底电极对准，便于调控，如图1(c)所示。
步骤(4)：制备Cr/Au源漏电极5。利用紫外光刻方法制备电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬15nm，金45nm；结合lift-off方法，剥离金属膜，获得金属电极，沟道宽度为10μm，如图1(d)所示。
本实施例的探测器的工作原理为：器件未极化时对光没有响应(图2(a))。通过对栅电极2施加脉冲电压可以极化铁电材料(图2(b)和图2(c))，左/右栅电极2分别加正/负(负/正)脉冲电压时，极化材料左右分别极化向上/下(下/上)，对应的器件状态为NP(PN)结，进一步加大铁电场强度，响应变强(图2(d))。我们可以通过改变脉冲电压的极性实现PN和NP结的连续调控，其调节关系为电压脉冲→铁电场→PN结能带结构→器件光电流。即可以通过在栅电极2上施加脉冲电压实现相同光照条件下器件光电流正负之间的连续可调。
脉冲电压调制下探测器光电流正负线性可调：
如图3(a)，在同一光照条件下，通过对两个栅电极2施加反向脉冲电压，实现探测器光电流正负的线性可调。光电流从负到正时脉冲电压为：左边栅从-16到-21V，步长0.1V，脉宽1ms；右边栅从+16到+21V，步长0.1V，脉宽1ms光电流从正到负时脉冲电压极性相反。此外，由图3(b)可知，该探测器可以实现多个周期循环，说明该器件具有良好的稳定性。
探测器的保持特性：
探测器的保持特性对于探测器工作也至关重要，图4为探测器在同一光照条件下不同极化状态时器件的电流随时间的变化，可见，本探测器在1000s之内基本维持不变。
探测器不同光功率下的响应：
光电探测器对于不同光功率的线性响应是灰度图像处理的前提条件，图5为器件在不同极化状态下光电流对光功率的线性响应关系，其中最大极化状态时器件响应率可以达到800mA/W。
实施例2
本实施例中的正负光响应探测器与实施例1基本相同，区别在于将双极性二维半导体材料换成双极性一维纳米线，经测试，性能与实施例1的正负光相应探测器基本一致。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，由衬底(1)、栅电极(2)、铁电层(3)、低维半导体(4)和源漏电极(5)；
所述的栅电极(2)设有一对，间隔固定设置于衬底(1)上；
所述的铁电层(3)固定设置于衬底(1)上并完全包覆栅电极(2)；
所述的低维半导体(4)固定设置于铁电层(3)上；
所述的源漏电极(5)包括一源电极(51)和一漏电极(52)，分离设置于低维半导体(4)两侧并固定设置于铁电层(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，所述的衬底(1)为绝缘衬底。
3.根据权利要求1所述的一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，所述的栅电极(2)为Cr/Au底栅电极，厚度为10nm/10nm，两栅电极(2)之间间隔距离为1μm。
4.根据权利要求1所述的一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，所述的铁电层(3)为P(VDF-TrFE)铁电材料。
5.根据权利要求1所述的一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，所述的低维半导体(4)对准栅电极(2)设置。
6.根据权利要求1所述的一种极化场调控的正负光响应探测器，其特征在于，所述的源漏电极(5)为Cr/Au源漏电极，厚度为15nm/45nm，沟道宽度为10μm。
7.一种制备如权利要求1-6任一所述的极化场调控的正负光响应探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底(1)上通过光刻工艺间隔制备一对栅电极(2)，随后通过旋涂法在衬底(1)上制备铁电层(3)并进行退火；在铁电层(3)上通过半导体转移技术制备低维半导体(4)，随后通过紫外光刻法制备电极图形，通过热蒸发技术制备源漏电极(5)并通过lift-off方法剥离金属膜，得到所述的正负光响应探测器。
8.根据权利要求7所述的一种极化场调控的正负光响应探测器的制备方法，其特征在于，所述的退火为：在135℃下退火2小时。
9.一种如权利要求1-6任一所述的极化场调控的正负光响应探测器在智能视觉系统中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种极化场调控的正负光响应探测器的应用，其特征在于，该正负光响应探测器在智能视觉系统中作为人眼视网膜的感光细胞、双极细胞以及与大脑皮层连接的突触使用。
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