一种基于介电层响应的场效应管光电探测器

1.本发明属于光电探测器领域，更具体地，涉及一种基于介电层响应的场效应管光电探测器。


背景技术：

2.光信号中蕴含着很多有效信息，对光子的有效检测有助于获取这些信息，从而实现信息的采集与传递，光子的有效检测对信息化、智能化技术的发展有着重要意义。对光子的检测技术主要基于光电探测器，即通过器件设计，将光信号转换为电信号，从而实现对信息的进一步处理。
3.目前，直接光电探测器主要基于光电导原理或者光伏原理。光电导原理主要利用半导体材料在光照下电导改变的特性，其本质是光照导致半导体中电子、空穴等载流子浓度的变化。载流子浓度变化之后，半导体的导电性随之变化，其电阻会显著改变，通过检测光照前后流过半导体的电流变化，即可实现光信号的检测。基于光电导原理构筑的光电探测器可以是电极/光电响应半导体/电极的简单器件结构，也可以是将光电响应半导体材料用作场效应管源极与漏极之间有源层的器件结构。光伏原理利用的是pn节的光生伏特效应，和太阳能电池类似，通过合适的器件设计，构筑基于光电响应半导体材料的pn结器件，测试光照前后器件的输出电压变化或者电流变化，也可以实现光信号的检测。除了直接光电探测器技术之外，也有间接光电探测技术，比如热探测器，即利用光信号的热效应，改变探测原件的温度，进一步测出温度改变引起的探测原件物理性质的改变，从而实现光的检测。
4.虽然目前光电探测器技术发展十分成熟，但现有技术存在一系列亟待解决的问题。对光电导型光电探测器而言，光电响应半导体材料同时承担着吸光产生光生载流子并传导载流子的作用；这里涉及的一个难点是，吸光能力良好的半导体材料并不一定具有良好的载流子传输能力；另一个难点是，要想获得较高的检测精度，有源层半导体中的缺陷态等导致的暗电流要尽可能的小，这对半导体材料提出了更高的要求；因而半导体的选取与制备在很大程度上被限制了。对光伏型光电探测器而言，如同太阳能电池面临的问题一样，器件内部的复合在很大程度限制了器件的灵敏度等性能。受限于工作原理，基于热效应的光电探测器同样存在灵敏度的问题。虽然目前通过器件工作环境的改变，以及器件中高质量材料的有效控制获得了很多性能优异的光电探测器，但这些技术显著增加了光电探测器的成本。如何在提升器件的光电检测能力的同时降低器件的制备成本仍然是领域发展的重点。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于介电层响应的场效应管光电探测器，用以实现高性能光电探测器的灵活设计与低成本制备。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于介电层响应的场效应管光电
探测器，包括栅极、光电响应复合介电层、载流子传输层、源极和漏极；其中，所述光电响应复合介电层由光电响应介质和电荷阻挡绝缘介质复合而成；
7.所述载流子传输层用于传输电子或空穴，所述光电响应介质用于在光照下吸光产生电子、空穴或激子，所述电荷阻挡绝缘介质用于限制电子、空穴、激子的通过；所述光电响应复合介电层中光生电子、空穴或激子的产生以及其被限制在光电响应介质中的移动导致光电响应复合介电层等效介电常数的变化，进而引起载流子传输层载流子浓度的变化与导电性的变化，根据光照前后源极和漏极之间电流的变化实现光电探测。
8.本发明的有益效果是：本发明公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，处于光电响应复合介电层的光电响应介质承担与光信号发生相互作用的角色，光电响应介质吸光产生电子、空穴、激子等；处于光电响应复合介电层中的电荷阻挡绝缘介质将光生电子、空穴、激子等限制在光电响应介质内部；在源极和栅极之间所加偏压的作用下电子、空穴、激子在在光电响应介质内部发生定向移动，而不与外电路构成导电通路，等效于介电层介电常数的变化，介电层介电常数的变化直接导致源极、介电层、栅极所构成电容的变化，进而引起载流子传输层中载流子浓度的变化；在源极和漏极偏压给定的情况下，通过检测源极与漏极之间的电流变化等即可实现光电探测。因此，本发明公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，光电响应介质只需要具备良好的吸光能力，而不需要具备良好的载流子传输特性；而源极与漏极之间的载流子传输层只需要具备良好的载流子传输能力与低的缺陷态密度等特点，而不需要具备良好的吸光能力；载流子传输层与光电响应复合介电层中的光电响应介质分别承担了载流子传输与光电响应作用，这一结构设计显著提升了光电探测器件设计的灵活性，有助于进一步实现高性能低成本的光电探测器。
9.上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
10.进一步，所述栅极、所述介电层和所述载流子传输层依次层叠，所述源极和所述漏极间隔设置在所述载流子传输层的表面。
11.进一步，所述栅极和所述介电层层叠设置，所述源极和所述漏极间隔设置在所述介电层的表面，所述载流子传输层设置在所述源极和所述漏极周围。
12.进一步，所述光电响应复合介电层的结构为：电荷阻挡绝缘介质层/光电响应介质层/电荷阻挡绝缘介质层三明治结构，或者由所述三明治结构构成的层叠结构。
13.进一步，所述光电响应复合介电层的结构为：所述光电响应介质团簇在所述电荷阻挡绝缘介质中的随机分散结构。
14.进一步，所述光电响应复合介电层的结构为：三明治结构和随机分散结构的组合结构，其中，所述三明治结构为电荷阻挡绝缘介质层/光电响应介质层/电荷阻挡绝缘介质层三明治结构，所述随机分散结构为所述光电响应介质团簇在所述电荷阻挡绝缘介质中的随机分散结构。
15.本发明的进一步有益效果是：在电极之间设置光电响应复合介电层和载流子传输层的基础上，具体的，载流子传输层的设置位置以及复合介电层内部的结构，可从选材、工艺方面设计具体的结构，因而本发明器件结构可根据实际需要灵活设置。
16.进一步，所述光电响应介质选自：硅、锗、硒单质半导体材料，砷化镓gaas、硫化铅pbs、溴铅铯cspbbr3钙钛矿化合物半导体材料，碘铅甲胺mapbi3钙钛矿、碘锡甲脒fasni3钙钛矿、二
‑
四丁铵
‑
双(异硫氰基)双(2,2
’‑
联吡啶
‑
4,4’二羧基)钌有机无机杂化材料，以及
富勒烯及衍生物、聚3
‑
己基噻吩、蒽、三苯胺有机材料。
17.进一步，所述电荷阻挡绝缘介质选自：氧化硅，氧化铝，氧化锆，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚乙二醇，以及聚乙烯吡咯烷酮。
18.进一步，所述载流子传输层选自：硅，砷化镓，氮化镓，氧化锌，卤化物钙钛矿，富勒烯衍生物，聚三芳胺，以及spiro
‑
meotad。
19.进一步，所述栅极、所述源极和所述漏极分别独立的选自：金属材料，重掺杂高导电半导体材料，以及碳材料。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种基于介电层响应的场效应管光电探测器原理性结构图；
21.图2为本发明实施例提供的一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的另一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
23.图4为本发明实施例提供的另一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
24.图5为本发明实施例提供的另一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
25.图6为本发明实施例提供的另一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
26.图7为本发明实施例提供的另一种基于介电层响应的场效应管光电探测器结构示意图；
27.图8为本发明实施例提供的场效应管光电探测器光电响应特性图；
28.图9为本发明实施例提供的另一场效应管光电探测器光电响应特性图；
29.图10为本发明实施例提供的另一场效应管光电探测器光电响应特性图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.实施例一
32.一种基于介电层响应的场效应管光电探测器，如图1所示，包括栅极、光电响应复合介电层、载流子传输层、源极和漏极；其中，光电响应复合介电层由光电响应介质和电荷阻挡绝缘介质复合而成；
33.所述载流子传输层用于传输电子或空穴，所述光电响应介质用于在光照下吸光产生电子、空穴或激子，所述电荷阻挡绝缘介质用于限制电子、空穴、激子的通过；所述光电响应复合介电层中光生电子、空穴或激子的产生以及其被限制在光电响应介质中的移动导致
光电响应复合介电层等效介电常数的变化，进而引起载流子传输层载流子浓度的变化与导电性的变化，根据光照前后源极和漏极之间电流的变化实现光电探测。
34.场效应管一般被认为是一种电压调制型半导体器件，通过调节源极与栅极之间的电压，可以实现源极和漏极之间电流的调控。其基本的工作原理可以简单理解为器件中的源极、介电层以及栅极构成电容，当源极和漏极之间加电压时，根据电容的基本特性可知，源极和漏极附近将分别发生电荷积累，其积累电荷的类型与电压的方向有关系，比如当源极电位高于栅极时，源极附近将积累正电荷，当源极电位低于栅极时，源极附近将积累负电荷；所积累电荷的数量与源极和栅极之间所加电压的大小直接正相关。源极与载流子传输层直接接触，当源极附近发生电荷积累的时候，这部分电荷将直接导致载流子传输层中载流子浓度发生变化，简单来看，当载流子传输层为本征半导体，或者其中多数载流子是电子，而源极附近积累负电荷的时候，载流子传输层中的载流子浓度将会增加，载流子传输层导电性随之增加，在源极和漏极之间电压给定的情况下，源极和漏极之间的电流也会因此增加，这种情况下在一定范围内增加源极和栅极之间的电压将进一步增加源极附近所积累的电荷数量，从而增加载流子传输层的载流子浓度与导电性，源极和漏极之间的电流因此会增加；当载流子传输层中的多数载流子为空穴，源极附近积累负电荷的时候，在一定范围内(未形成反型层)载流子传输层中的载流子浓度将会降低，载流子传输层导电性随之降低，在源极和漏极之间电压给定的情况下，源极和漏极之间的电流也会因此降低，在这种情况下在一定范围内增加源极和栅极之间的电压差将进一步增加源极附近所积累的负电荷，从而降低载流子传输层中的载流子浓度与导电性，源极和漏极之间的电流因此降低；其他情况下也具有类似的基本规律。从这里我们可以看到，源极和漏极之间的电流大小可以通过源极和栅极之间的电压大小来调控。通过调控源极和栅极之间的电压大小来调控场效应管源极和漏极之间的电流大小是场效应管的基本工作状态。
35.从上述分析中可以看出，在场效应管中，调控源极附近所积累电荷的数量是调控载流子传输层中载流子浓度与导电性的关键，因而是调控源极和漏极之间电流的基础。从基本原理上看，源极附近所积累电荷数量的多少不仅与源极、栅极之间所加电压的大小直接相关，也与源极、介电层以及栅极所构成电容的大小直接相关，这一电容的增大或者减小同样会导致源极附近所积累电荷的增多或者减少。在本实施例中，公开了一种具有光电响应能力的复合介电层，并将其用在场效应光中构成场效应管光电探测器。在该器件中，复合介电层中的光电响应介质可以吸光产生电子、空穴、或者激子等，在源极和栅极之间加偏压时，光电响应介质吸光产生的电子、空穴、或者激子将发生定向移动或者偏移，源极和栅极之间将随之发生电荷移动，在这一过程中复合介电层中的电荷阻挡绝缘介质将光电响应介质吸光产生的电子、空穴、或者激子限制在光电响应介质膜层或者团簇内，源极和栅极之间移动的电荷被积累在源极与复合介电层界面或者栅极与复合介电层界面等，导致源极附近积累电荷数量的增加，也就是说，在这一过程中由于复合介电层中电荷阻挡绝缘介质的存在，光电响应介质吸光产生的电子、空穴或者激子不与源极和栅极构成导电通路，形成持续电流，而只是导致电荷在源极以及栅极处的积累，因而等效于复合介电层介电常数的增加。简而言之，本实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器，在光照之后，复合介电层吸光产生电子、空穴或者激子导致了复合介电层等效介电常数的增加；这一增加的介电常数导致源极、复合介电层、栅极所形成电容的增加；在源极和栅极电压给定的情况下，这一增
加的电容直接导致源极附近积累电荷数量的增加，从而导致载流子传输层中载流子浓度的变化与导电性的变化；在源极和漏极电压给定的情况下，载流子传输层导电性的变化直接导致源极和漏极之间的电流变化，从而实现光电探测功能。
36.本实施例目的在于开发高性能的光电探测器，解决现有光电探测器技术面临的难题。本实施例公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器其工作原理区别于前述光电导、光伏、光热等光电探测器。在本实施例公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，源极与漏极之间的载流子传输层半导体只承担载流子传输作用，不需要与光信号发生相互作用而产生光响应，因而本实施例公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器可根据使用需求灵活选用载流子传输性能优异的半导体材料。在本实施例公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，处于介电层的光电响应介质承担与光信号发生相互作用的角色，光电响应介质吸光产生电子、空穴、激子等；在源极和栅极之间所加偏压的作用下以及在电荷阻挡绝缘介质的阻挡下，复合介电层中产生的电子、空穴或激子仅在光电响应介质内定向移动，导致光电响应复合介电层介电常数的变化，使得源极附近积累的电荷数量发生变化，进而引起载流子传输层中载流子浓度与导电性的变化，在源极和漏极之间偏压给定的情况下，载流子传输层导电性的变化将导致源极和漏极之间的电流发生变化，进而基于源极和漏极之间的电流变化实现光电探测。从这里可以看出，在本发明公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，光电响应介质只需要具备良好的吸光能力，而不需要具备良好的载流子传输特性。综合上述特点可以看出，在本发明公开的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，源极与漏极之间的载流子传输层与介电层中的光电响应介质分别承担了载流子传输与光电响应作用，这一结构设计显著提升了光电探测器件设计的灵活性，有助于进一步实现高性能低成本的光电探测器。
37.优选的，栅极、介电层和载流子传输层依次层叠，源极和漏极间隔设置在载流子传输层的表面，如图2所示。
38.优选的，栅极和介电层层叠设置，源极和漏极间隔设置在介电层的表面，载流子传输层设置在源极和漏极周围，如图3所示。
39.优选的，如图4和图5所示，介电层的结构为：电荷阻挡绝缘介质层/光电响应介质层/电荷阻挡绝缘介质层三明治结构，或者由所述三明治结构构成的层叠结构。
40.优选的，如图6所示，介电层的结构为：光电响应介质团簇在电荷阻挡绝缘介质中的随机分散结构。
41.优选的，如图7所示，介电层的结构为：三明治结构和随机分散结构的组合结构，其中，三明治结构为电荷阻挡绝缘介质层/光电响应介质层/电荷阻挡绝缘介质层三明治结构，随机分散结构为所述光电响应介质团簇在所述电荷阻挡绝缘介质中的随机分散结构。
42.本实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器和现有的光电导、光伏、光热等光电探测器相比，无论是器件结构，还是工作原理，都有着明显的不同。和现有的基于光电导效应的场效应光电探测器相比，本实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器也有着明显的不同，这些不同带来器件的灵活设计与调控优势。具体的，在基于光电导效应的场效应光电探测器中，其载流子传输层需要同时满足具有良好的吸光能力并有着良好的载流子传输能力以及少的缺陷态等一系列要求，这在很大程度上限制了器件材料的选择空间，一个容易想到的问题是部分材料有着良好的吸光特性，但其载流子迁移率很低或者缺
陷态很多，直接限制所制备光电探测器的灵敏性；而部分材料有着良好的载流子迁移率以及很少的缺陷态，但其吸光能力有限，不能与光发生有效相互作用，直接限制了所制备光电探测器的实用性。而在实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，可以把迁移率高、缺陷态少、而吸光能力有限的材料用作载流子传输层，而把吸光能力强、电荷传输能力受限的材料用作复合介电层中的光电响应介质，从而实现有效的光电探测，比如部分小分子吸光材料，具有很高的光吸收能力，但吸光后产生激子而不产生自由载流子，这些小分子在基于光电导效应的场效应管光电探测器中很难使用，而在基于介电层响应的场效应管中则可以灵活选用。基于介电层响应的场效应管光电探测器不仅在器件设计和材料选择上具有直接优势，在器件性能上也具备系列潜在优势。一方面，现有基于光电导效应的场效应管光电探测器的光电响应介质是载流子传输层材料自身，一般是单一的，而对于本实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器，其光电响应介质可以根据使用需求进行灵活搭配，比如在多层堆叠结构中，不同的光电响应介质层可选用不同的光电响应材料，或者在光电响应介质团簇/电荷阻挡绝缘介质复合物中使用多种具有不同光电响应特性的光电响应介质团簇，从而结合这些光电响应介质各自的光电响应特点，实现光响应波长的选择和拓展等。另一方面，现有基于光电导响应的场效应管光电探测器中，具有吸光能力的载流子传输层受限于自身的结晶性，在很多时候存在较多缺陷态，这些缺陷态的存在导致源极和漏极之间较大的暗电流，制约了器件的灵敏性；而在本实施例的基于介电层响应的场效应管光电探测器中，由于载流子传输层不需要承担吸光的作用，因此可以选用高结晶性、少缺陷的材料用作载流子传输层，从而抑制暗电流的产生，提升器件的灵敏性。此外，现有基于光电导效应的场效应管光电探测器中，载流子传输层吸光之后，载流子的产生、传输与复合速率直接影响光电探测器时间尺度的灵敏性，而在本实施例的基于介电层响应的光电探测器中，载流子传输层不需要产生光生载流子，器件的时间分辨率在很大程度上与复合介电层中光电响应介质吸光产生电子、空穴或激子以及电子、空穴、激子的复合行为有关，通过选用吸光能力强、载流子产生消失迅速的材料体系，而不需考量其载流子传输的限制，比如使用有机分子或者纳米晶，可以有效调控基于介电层响应的场效应管光电探测器的光电响应时间分辨特性。此外，通过电荷阻挡绝缘介质与光电响应介质的灵活搭配，可以实现光电响应介质部分维度的尺寸调控，使得光电响应介质在一定程度上具备量子效应，从而影响其光电响应特性，调控相应器件的光电探测能力。显然，由于器件工作原理的直接差异，基于介电层响应的场效应管光电探测器在性能上有着一系列的优势，不限于上述优势。
43.优选的，光电响应介质与电荷阻挡绝缘介质复合而成的介电层中，光电响应介质由可吸光产生电子、空穴、激子等光电响应行为的材料组成，优选为硅、锗、硒等单质半导体材料，砷化镓gaas、硫化铅pbs、溴铅铯cspbbr3钙钛矿等化合物半导体材料，碘铅甲胺mapbi3钙钛矿、碘锡甲脒fasni3钙钛矿、二
‑
四丁铵
‑
双(异硫氰基)双(2,2
’‑
联吡啶
‑
4,4’二羧基)钌等有机无机杂化材料，富勒烯及衍生物、聚3
‑
己基噻吩、蒽、三苯胺等有机材料等。
44.优选的，光电响应介质与电荷阻挡绝缘介质复合而成的介电层中，电荷阻挡绝缘介质由电子与空穴的不良导体组成，优选为氧化硅、氧化铝、氧化锆、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等。
45.优选的，载流子传输层由具有载流子传输能力的半导体材料组成，优选为硅、砷化镓、氮化镓、氧化锌、卤化物钙钛矿、富勒烯衍生物、聚三芳胺、spiro
‑
meotad等。
46.优选的，栅极、源极、漏极分别独立的由金、铝等金属材料，掺锡氧化铟、重掺杂硅等高导电半导体材料，或者石墨烯等碳材料组成。
47.为了更清楚的说明本发明，现给出如下示例：
48.示例一
49.取掺锡氧化铟透明导电玻璃用作栅极；在其上旋涂制备20nm聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，用作电荷阻挡绝缘介质；在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上沉积100nm的fasni3卤化物钙钛矿层，用作光电响应介质；在fasni3薄膜上利用原子沉积技术沉积10nm氧化铝薄膜用作电荷阻挡绝缘介质；在其上旋涂制备spiro
‑
ometad薄膜，用作载流子传输层；在spiro
‑
ometad薄膜上蒸镀金属源极与漏极；在源极与栅极以及漏极之间分别施加偏压，对器件施加800nm光照，测试加光照前后源极与漏极之间电流的变化，如图8所示，在施加和移除光照前后，器件中源极和漏极之间的电流发生了明显的改变，器件展现出了光电响应特性。
50.示例二
51.取沉积有氮化镓的氧化铝衬底，利用氮化镓做载流子传输层；在其上蒸镀铝电极用作源极与漏极；在载流子传输层上沉积10nm的氧化铝用作电荷阻挡绝缘介质；随后依次沉积40nm的硒用作光电响应介质与10nm的氧化铝用作电荷阻挡绝缘介质，并重复三次；随后，沉积铝电极用作栅极；在源极与栅极以及漏极之间分别施加偏压，对器件施加500nm光照，测试加光照前后源极与漏极之间电流的变化，如图9所示，在施加和移除光照前后，器件中源极和漏极之间的电流发生了明显的改变，器件展现出了光电响应特性。
52.示例三
53.取掺锡氧化铟透明导电玻璃，利用激光刻蚀形成源极与栅极；在其上沉积mapbi3卤化物钙钛矿层用作载流子传输层；随后沉积10nm氧化铝用作电荷阻挡绝缘介质；在氧化铝上旋涂硫化铅纳米晶、聚苯乙烯在乙二醇醋酸丁醚中的分散液，制备100nm薄膜(随机分散结构)；随后沉积10nm氧化铝用作电荷阻挡绝缘介质；再沉积铝电极用作栅极；在源极与栅极以及漏极之间分别施加偏压，对器件施加950nm光照，测试加光照前后源极与漏极之间电流的变化，如图10所示，在施加和移除光照前后，器件中源极和漏极之间的电流发生了明显的改变，器件展现出了光电响应特性。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。