一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法与流程
1.本发明涉及一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法，属于光电传感器领域。
背景技术：
2.双极性光电传感器在逻辑运算系统、视觉化生物器件仿真和类神经运算等领域有着重要的应用。而传统场效应器件的光电流极性调控主要是依赖于施加较高的背栅电压实现
[1-3]
。这种方式会带来较大的功耗，并且需要额外引入的栅极电压施加通道，严重制约半导体片上集成系统的尺寸微缩和小型化。
[0003]
另外传统的复合结构异质结光电探测器由于依赖单一光生载流子运作，无法在未施加栅压的情况下实现光电流极性的操控和反转
[4,5]
，因而导致器件的功能单一，严重制约了器件的多功能性拓展。
[0004]
当前亟需一种具有低功耗、易于精准调控和集成的双极性光电子器件。
[0005]
参考文献：
[0006]
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[0009]
[4]关宝璐等，一种氧化铟锡/垂直石墨烯光电探测器复合结构及其制备方法，申请号201910372272.7
[0010]
[5]周培等，一种复合导电薄膜及其制备方法以及触控传感器及其制备方法，申请号201710262796.1。
技术实现要素：
[0011]
本发明提出一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法，以解决光电传感器的双极性光响应精确高效调控问题。
[0012]
为了解决现有技术的难题，发明人提出了一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法。黑磷是一种具有超高载流子迁移率和优异的光与物质相互作用的二维材料，适合用于器件的导电通道。表面不存在悬挂键的特点和纳米级厚度使得其易于异质集成。黑磷对不同电性载流子的掺杂较为敏感，因此可以通过异质集成和反向电荷掺杂的手段实现双极性响应。另一方面，在具有表面等离激元共振特性的纳米结构中，等离激元诱导高能热载流子能够跨越界面势垒而参与光电转换，并且热载流子的产生率与纳米结构表面
电场强度的平方成正比，因此有望通过入射光强度的调节，操控黑磷/等离激元异质结界面热载流子注入和电性相反的常规电荷注入，最终实现光电响应的极性调节。该类型的光控双极性器件具有功耗低，易于集成和可操控性强的突出优势。
[0013]
基于上述构思，本发明提出一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法。所述的全光学操控手段为激发光强度调制。以解决光电传感器的双极性光响应实现，以及精确高效调控的问题。该发明从载流子动力学操控的角度入手，能够彻底实现载流子注入类型的选择和器件双极性响应的实现。
[0014]
本发明的技术方案如下：
[0015]
在本发明的第一方面，提供了黑磷/氧化铟锡异质结体系在制备基于全光学操控的双极性光电传感器中的应用，所述的黑磷/氧化铟锡异质结体系作为传感器的导电通道，同时充当光敏感活性材料。
[0016]
在本发明的第二方面，提供了一种基于全光学操控的双极性光电传感器，所述的双极性光电传感器包括带有氧化层的硅衬底，设在硅衬底上的黑磷，设在黑磷上的氧化铟锡，设于黑磷两侧的金属电极和设于整个器件表面的聚甲基丙烯酸甲酯封装层。
[0017]
进一步地，所述的黑磷为单层或少层机械剥离法制备的黑磷纳米片。
[0018]
进一步地，所述的金属电极为金，黏附层为镉、镍或者钛。
[0019]
进一步地，所述的氧化铟锡为锡掺杂氧化铟。
[0020]
在本发明的第三方面，提供了如第二方面所述基于全光学操控的双极性光电传感器的制备方法。
[0021]
所述的方法，包括以下步骤：
[0022]
1)在表面附有氧化层的硅衬底上制备黑磷；
[0023]
2)在带有黑磷的样品表面旋涂光刻胶pmma，得到带有电极图案的样品；
[0024]
3)通过电子束蒸发方式在黑磷两端制备金属电极；
[0025]
4)将成型的黑磷器件再次旋涂光刻胶。利用二次光刻在黑磷沟道表面刻蚀出图案化纳米孔阵列；利用磁控溅射制备氧化铟锡纳米阵列结构，形成黑磷/氧化铟锡异质结器件光敏通道。
[0026]
5)在黑磷/氧化铟锡异质结器件表面再次旋涂光刻胶，以保护黑磷沟道，提升器件稳定性。
[0027]
进一步地，所述步骤3)中，黑磷两端的电极间距为5μm，电极材质为30nm的金膜和5nm的钛黏附层。
[0028]
进一步地，所述步骤4)中，黑磷沟道表面刻蚀出的图案化纳米孔阵列，其孔径为50nm,孔中心间距为75nm。
[0029]
本发明中，利用氧化铟锡中的热电子以及价带空穴转移引起黑磷的双极性光生电荷掺杂，实现正负光电导集成化响应。其工作原理是基于激发光强度调制的全光学手段控制的电性相反光生载流子对黑磷器件沟道的掺杂，从而实现双极性光电响应。
[0030]
本发明具有如下技术效果：
[0031]
1)基于本发明所获得的基于全光学操控的双极性光电传感器具有功耗低，易于集成和可操控性强的突出优势。
[0032]
2)传统的光电探测器光响应通常只有单极性。而本发明的基于全光学操控的双极
性光电传感器及其制备方法，能够在同一器件上实现光电流极性的调控。利用简单的激发光功率选择，可以操控器件光电流极性的转换。该发明能够解决传统场效应器件依赖栅压调控极性所带来较大功耗和集成受限难题。且能够替代传统栅压调控手段。
[0033]
3)本发明提出的一种基于全光学操控的双极性光电传感器，从利用激发调制实现从载流子激发和转移基本原理角度进行的操控，是具有低功耗、易于精准调控和集成的双极性光电子器件，在逻辑运算系统、视觉化生物器件仿真和类神经运算等领域有着的重要应用。
附图说明
[0034]
图1是本发明涉及传感器的结构与原理示意图。
[0035]
其中，1为黑磷，2为氧化铟锡纳米结构，3-1和3-2为带有黏附层的金电极，4为二氧化硅层，5为硅衬底，6为聚甲基丙烯酸甲酯封装层，7为源极，8为漏极，9为栅极。
[0036]
图2为弱和强功率密度激光照射下的光响应示意图。其中(a)为100mw/cm2光功率密度下黑磷/氧化铟锡传感器的光响应，(b)为105mw/cm2光功率密度下黑磷/氧化铟锡传感器的光响应。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0038]
本发明的实施例中，材料购买来源如下：
[0039]
sio2/si衬底购买于bonda technology pte ltd公司，电极制备所用金、镍和氧化铟锡靶材来源于中诺新材公司。所用黑磷来源于hq graphene公司。
[0040]
实施例1
[0041]
本发明的基于全光学操控的双极性光电传感器，包括以下部分：带有二氧化硅层4的硅衬底5，设在硅衬底5上的黑磷1，设在黑磷1上的氧化铟锡纳米结构2，设于黑磷两侧的带有黏附层的金电极3-1和3-2，以及设于整个器件表面的聚甲基丙烯酸甲酯封装层6。金电极3-1作为源极7，金电极3-2作为漏极8，硅衬底5作为栅极9。
[0042]
本发明的基于全光学操控的双极性光电传感器的制备方法如下：
[0043]
1)在表面附有二氧化硅层的硅衬底上，利用专用胶带通过机械剥离法制备黑磷。
[0044]
2)在带有黑磷的样品表面旋涂光刻胶pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，旋涂参数为600转10秒和3000转1分钟。旋涂之后在加热台上烘干2分钟，温度设置为180℃。而后将样品放入电子束刻蚀设备(fei,fp2031/12inspect f50)中，曝光计量为300μc/cm2。而后经由显影液和定影液各浸泡一分钟进行显影，得到带有电极图案的样品。之后通过电子束蒸发方式在黑磷两端制备金属电极，电极间距为5微米。电极材质为30nm的金膜和5nm的钛黏附层。金属沉积速率为腔体气压为5
×
10-4
pa。
[0045]
3)将成型的黑磷器件再次旋涂光刻胶。利用二次光刻在黑磷沟道表面刻蚀出图案化纳米孔阵列，孔径为50nm,孔中心间距为75nm。利用磁控溅射制备氧化铟锡纳米阵列结构。形成黑磷/氧化铟锡异质结器件光敏通道。
[0046]
4)在器件表面再次旋涂pmma，以保护黑磷沟道，提升器件稳定性。并将器件在16000μc/cm2剂量的电子束下进行辐照，得到n型黑磷。
[0047]
5)连接外部电路，通过keithley 2612源表对器件施加恒定1v偏压。器件和外部电路如图1。
[0048]
6)利用不同强度的入射光激发的方式，在单个器件中实现双极性光电响应。所采用的光功率分别为100mw/cm2和105mw/cm2。利用氧化铟锡中的热电子以及价带的空穴转移引起黑磷的双极性光生电荷掺杂，实现正负光电导集成化响应。其工作原理是基于全光学手段控制的电性相反光生载流子对黑磷器件沟道的掺杂，从而实现双极性光电响应。
[0049]
7)在100mw/cm2功率密度下，光生空穴注入n型黑磷引起负向光电流，在105mw/cm2功率密度下，光生热电子注入n型黑磷沟道引起正向光电流，如图2所示。
[0050]
本发明中的全光学手段，指的是通过操控入射光强度，可以实现器件光响应极性的转换。在实例器件中，在弱光激发下产生能够产生负向光电流，而在强光激发下能够产生正向光电流。
[0051]
从图2中，可以看出：传统的光电探测器光响应通常只有单极性。而本发明的基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法，能够在同一器件上实现光电流极性的调控。利用简单的激发光功率选择，可以操控器件光电流极性的转换。该发明能够解决传统场效应器件依赖栅压调控极性所带来较大功耗和集成受限难题。
[0052]
本发明提出的一种基于全光学操控的双极性光电传感器，从利用激发调制实现从载流子激发和转移基本原理角度进行的操控，是具有低功耗、易于精准调控和集成的双极性光电子器件，在逻辑运算系统、视觉化生物器件仿真和类神经运算等领域有着的重要应用。
[0053]
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：
1.黑磷/氧化铟锡异质结体系在制备基于全光学操控的双极性光电传感器中的应用，所述的黑磷/氧化铟锡异质结体系作为传感器的导电通道，同时充当光敏感活性材料。2.一种基于全光学操控的双极性光电传感器，其特征在于，所述的双极性光电传感器包括带有氧化层的硅衬底，设在硅衬底上的黑磷，设在黑磷上的氧化铟锡，设于黑磷两侧的金属电极和设于整个器件表面的聚甲基丙烯酸甲酯封装层。3.根据权利要求2所述的基于全光学操控的双极性光电传感器，其特征在于，所述的黑磷为单层或少层机械剥离法制备的黑磷纳米片。4.根据权利要求2所述的基于全光学操控的双极性光电传感器，其特征在于，所述的金属电极为金，黏附层为镉、镍或者钛。5.根据权利要求2所述的基于全光学操控的双极性光电传感器，其特征在于，所述的氧化铟锡为锡掺杂氧化铟。6.如权利要求2-5中任意一项所述基于全光学操控的双极性光电传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）在表面附有氧化层的硅衬底上制备黑磷；2）在带有黑磷的样品表面旋涂光刻胶pmma，得到带有电极图案的样品；3）通过电子束蒸发方式在黑磷两端制备金属电极；4）将成型的黑磷器件再次旋涂光刻胶；利用二次光刻在黑磷沟道表面刻蚀出图案化纳米孔阵列；利用磁控溅射制备氧化铟锡纳米阵列结构，形成黑磷/氧化铟锡异质结器件光敏通道；5）在黑磷/氧化铟锡异质结器件表面再次旋涂光刻胶，以保护黑磷沟道，提升器件稳定性。7.根据权利要求6所述基于全光学操控的双极性光电传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，黑磷两端的电极间距为5μm，电极材质为30 nm的金膜和5 nm的钛黏附层。8.根据权利要求6所述基于全光学操控的双极性光电传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，黑磷沟道表面刻蚀出的图案化纳米孔阵列，其孔径为50 nm, 孔中心间距为75 nm。
技术总结
本发明提供了黑磷/氧化铟锡异质结体系在制备基于全光学操控的双极性光电传感器中的应用，还提供了一种基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法，属于光电传感器领域。本发明的基于全光学操控的双极性光电传感器，包括带有氧化层的硅衬底，设在硅衬底上的黑磷，设在黑磷上的氧化铟锡，设于黑磷两侧的金属电极和设于整个器件表面的聚甲基丙烯酸甲酯封装层。本发明的基于全光学操控的双极性光电传感器及其制备方法，能够在同一器件上实现光电流极性的调控。利用简单的激发光功率选择，可以操控器件光电流极性的转换。该发明能够解决传统场效应器件依赖栅压调控极性所带来较大功耗和集成受限难题。且能够替代传统栅压调控手段。压调控手段。压调控手段。
