一种多模式紫外光电探测器及其制备与应用

本发明涉及光电探测器，具体为一种多模式紫外光电探测器及其制备与应用，尤其涉及可在日盲紫外波段工作的多模式紫外光电探测器。

背景技术：

1、日盲紫外光电探测技术在环境监测、空间安全通信以及生物医学分析等领域具有不可替代的战略地位。传统的硅基光电探测器由于硅的带隙较窄，需要昂贵的滤光片来屏蔽可见光和红外光的干扰，并且在紫外波段的响应度较低，难以满足日盲紫外探测的高选择性要求。

2、zno作为直接带隙半导体，具有高达3.3ev的禁带宽度，使其在室温下对紫外光具有极高的响应性能。通过原子层沉积制备出高质量的zno薄膜具有优异的电子迁移率，是理想的电子传输通道材料。ga2o3作为超宽禁带半导体，具有天然的日盲特性，能够极其有效地屏蔽可见光干扰。由于ga2o3属于高阻材料，且目前制备的非晶或多晶薄膜载流子迁移率通常较低，导致ga2o3探测器的增益受限。为了结合zno的高迁移率和ga2o3的日盲特性，研究人员开始探索zno/ga2o3异质结结构。通过构建异质结，利用能带偏移形成的内建电场，可以有效分离光生电子-空穴对，从而提高探测器的响应速度和灵敏度。此外，采用三端薄膜晶体管架构，利用栅极电压与源漏电压对沟道电导的协同调控作用，可以实现比二端器件更高的光电增益和信噪比。

3、需要说明的是，紫外光电探测并不限于日盲波段。200 nm至400 nm范围通常可覆盖深紫外/日盲紫外、uvb和uva等目标波段；其中200 nm至280 nm更偏向日盲或深紫外探测，280 nm至400 nm则可对应uvb/uva探测。但本发明对波段的扩展不仅由光吸收层禁带宽度决定，还需要光吸收层与zno沟道层、高k中间介质层共同形成与n-zno/n-ga2o3类似的ⅰ型或类ⅰ型能带结构。具体地，替代光吸收层应为n型或等效n型宽禁带/超宽禁带半导体，且其导带底高于或接近zno导带底、价带顶低于zno价带顶，使zno沟道层的能带位于光吸收层禁带范围内，从而使光生电子能够向zno沟道侧转移或耦合，而光生空穴、正电荷中心或缺陷电荷主要滞留在光吸收层或界面附近。基于上述约束，ga2o3、(alxga1-x)2o3、(mgxzn1-x)o、znga2o4及其合金、掺杂层或复合层为优选光吸收材料；其他材料只有在能够与zno形成ⅰ型或类ⅰ型能带结构并维持相同载流子转移路径时，才作为可选替代材料。

4、另一方面，传统冯・诺依曼架构因存储与计算单元的物理分离，在处理海量非结构化视觉信息时面临着巨大的能耗与延迟瓶颈。受人脑工作机制启发，神经形态计算通过模拟生物突触的可塑性与分布式处理特性，为解决这一痛点提供了理想方案。特别是将光电探测与类脑计算融合的感存算一体化技术，能够直接在传感器端对图像数据进行预处理，显著降低了数据传输冗余。在此背景下，开发能够同时满足日盲紫外探测的正向快速响应需求与神经形态计算的慢响应记忆需求的新型器件，成为光电子领域的研究前沿。

5、然而，现有日盲紫外光电探测器通常存在以下技术问题：

6、1.现有日盲紫外光电探测器通常仅支持单一或有限响应模式，无法同时实现正向自供电、正向快速响应、正向突触和负向突触等多种模式，导致应用灵活性差，无法适应复杂场景如神经形态计算或高速检测；

7、2.现有器件调控机制单一，难以通过简单的电压调控实现多种模式及光电流极性的切换，大多需要额外电路或复杂结构，增加成本和集成难度；

8、3.现有单一器件的光响应方向单一，多为正向响应，缺乏双向（正负）光响应能力，限制了其在模拟生物突触或双极性信号处理中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多模式紫外光电探测器及其制备与应用，尤其适用于日盲紫外探测，以解决上述背景技术中提到的现有的应用灵活性差、调控机制单一、缺乏双向、多模式光响应能力以及波段适配能力有限等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的一个方面，提供一种多模式紫外光电探测器，包括：

4、衬底，所述衬底作为栅电极；

5、可控漏电栅介质层，设置于所述衬底表面，所述可控漏电栅介质层用于在所述栅电极与电子传输层和/或源电极之间形成可测的垂直电荷传输分量；

6、依次层叠设置于所述可控漏电栅介质层上的电子传输层、高k中间介质层和光吸收层，以及设置于所述光吸收层上的源电极和漏电极；

7、通过调节施加于所述栅电极的栅极电压和施加于所述源电极和所述漏电极之间的源漏电压的相对大小，所述探测器在至少两种不同的工作模式之间切换；

8、所述不同的工作模式包括自供电探测模式、快速响应探测模式、正向突触可塑性模式及负向突触可塑性模式中的至少两种。

9、为避免与半导体工艺中通常表示低介电常数材料的“低k介质”发生混淆，本发明将衬底表面的栅介质层定义为“可控漏电栅介质层”。从功能层级上，该层也可表征为“垂直电荷耦合栅介质层”，即在保持栅控能力的同时，允许受控垂直电荷传输分量参与器件光电响应调制；“可控漏电栅介质层”更直接限定了其可设计、可测且可利用的垂直漏电功能。缺陷富集型栅介质层仅是实现可控漏电的一种材料或工艺路径，并不排除低缺陷但在工作电场和厚度条件下具有可测漏导的低介电常数或中等介电常数介质层。

10、相应地，本发明将位于电子传输层与光吸收层之间的介质层定义为“高k中间介质层”，也可称为“超薄高k隧穿-俘获层”或高k电荷俘获中间介质层。可控漏电栅介质层承担纵向栅控与栅源漏电通道功能，高k中间介质层承担隧穿势垒、电荷俘获和界面调制功能，二者在位置、厚度、传输方向和功能上相互区别。

11、基于前述方案，所述可控漏电栅介质层的材料包括sio2、siox、sion、si3n4、al2o3、al2o3-x、hfo2、hfox、zro2、ta2o5、taox、tio2或所述材料中至少两种组成的复合层；所述可控漏电栅介质层通过厚度、氧空位、陷阱态密度、界面态密度、致密度、局部漏导通道、局部场增强路径或后处理工艺调节，使所述可控漏电栅介质层在所述工作偏置下提供至少一种垂直电荷传输途径，且不导致所述栅电极与所述电子传输层欧姆短路。进一步地，所述可控漏电栅介质层可采用具有受控缺陷态的高k材料，也可采用sio2、siox、sion、si3n4等低介电常数或中等介电常数材料，还可采用复合层或纳米叠层结构；只要其在工作电场下具有可测且可调的垂直漏导，并可参与栅源电流、正负光响应切换或负向突触可塑性调控，即属于本发明所述可控漏电栅介质层。所述垂直漏导或垂直电荷传输分量可来源于陷阱辅助隧穿、poole-frenkel发射、界面态辅助输运、局部非致密区、局部场增强路径或其组合。

12、本发明中，正向光响应是指在目标紫外光照下漏极读出电流相对于暗态电流或基线读出电流增加；负向光响应是指在目标紫外光照下漏极读出电流相对于暗态电流或基线读出电流减小。所述目标紫外光可为200nm至400nm范围内的至少一个紫外波段；在采用ga2o3等超宽禁带光吸收层时，所述目标紫外光优选为200nm至280nm日盲紫外光，进一步可为25nm附近深紫外光。由此，正向突触可塑性和负向突触可塑性的判定基准不依赖于绝对电流方向，而取决于光照引起的读出电流相对变化方向。

13、在一种优选实施方式中，所述可控漏电栅介质层在器件工作偏置下的栅漏电流密度可处于10-10a/cm²至10-5a/cm²范围内，或者表现为足以可重复触发正负光响应切换或负向突触可塑性模式的垂直电荷传输分量。上述漏电流密度范围为优选工程窗口；未限定具体数值时，以器件在工作偏置下可重复实现目标工作模式且不发生栅极与沟道欧姆短路为准。

14、基于前述方案，所述电子传输层的材料为宽禁带半导体氧化物，包括zno、in2o3、sno2、tio2或ingazno中的至少一种；所述高k中间介质层的厚度为0.5nm至3nm，所述高k中间介质层的材料为高介电常数绝缘材料，包括al2o3、mgo、hfo2、zro2或ta2o5中的至少一种；所述光吸收层的材料为对200nm至400nm范围内至少一个目标紫外波段具有吸收能力、并与所述电子传输层形成预定能带排列的n型或等效n型宽禁带或超宽禁带半导体材料。所述宽禁带半导体氧化物优选为zno；所述光吸收层材料根据目标紫外波段和ⅰ型/类ⅰ型能带结构共同选择，优选为ga2o3、(alxga1-x)2o3、(mgxzn1-x)o、znga2o4或其合金、掺杂层、复合层中的至少一种。其中，ga2o3的典型禁带宽度约为4.4ev至5.3ev，适用于日盲紫外波段；(alxga1-x)2o3可随al组分增加而展宽禁带，适用于日盲紫外/深紫外波段；(mgxzn1-x)o可随mg组分增加调节禁带宽度，覆盖近紫外至日盲紫外的可调范围；znga2o4禁带宽度约为4.4ev至5.2ev，适用于日盲紫外波段。上述禁带宽度和吸收范围为示例性说明，具体取值可随晶相、组分、掺杂和制备工艺变化。

15、基于前述方案，所述探测器被配置为：

16、当所述栅极电压和所述源漏电压均为零，或所述栅极电压和所述源漏电压均处于零偏置容许范围内时，所述探测器工作于所述自供电探测模式；

17、当所述源漏电压等于所述栅极电压，或所述源漏电压与所述栅极电压的差值处于预设平衡范围内，或满足|vd-αvg|≤δv的等效偏置条件时，所述探测器工作于所述快速响应探测模式，其中α为栅控耦合系数，δv为预设容许偏差；

18、当所述源漏电压与所述栅极电压的差值为正且超过预设正向阈值，或满足vd-αvg≥δ1的等效偏置条件时，所述探测器工作于所述正向突触可塑性模式，其中δ1为预设正向阈值；

19、当所述栅极电压与所述源漏电压的差值为正值且超过预设负向阈值，或满足αvg-vd≥δ2的等效偏置条件时，所述探测器工作于所述负向突触可塑性模式，其中δ2为预设负向阈值。

20、根据本发明的另一方面，提供一种多模式紫外光电探测器的制备方法，包括：

21、在衬底表面形成可控漏电栅介质层，并在所述可控漏电栅介质层上依次沉积电子传输层、高k中间介质层和光吸收层，形成异质结叠层结构，并在沉积过程中分别进行退火处理；

22、在所述光吸收层上形成源电极和漏电极。

23、所述可控漏电栅介质层可采用热氧化、快速热氧化、原子层沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束蒸镀、离子注入、辐照改性或溶胶凝胶法制备；调节氧化温度、氧化气氛、沉积温度、前驱体脉冲、吹扫时间、氧分压、工作压力、薄膜厚度、后退火条件、等离子体处理、辐照剂量或离子注入条件中的至少一种参数，使所述可控漏电栅介质层具有受控垂直电荷耦合特性；所述电子传输层和所述高k中间介质层采用原子层沉积工艺制备；所述光吸收层采用磁控溅射或原子层沉积工艺制备。

24、基于前述方案，所述退火处理包括对所述电子传输层进行的第一次退火处理，以及对沉积所述光吸收层后进行的第二次退火处理。所述第一次退火处理用于调节电子传输层的结晶质量、载流子浓度和氧空位浓度，优选在空气、氧气或氧气/惰性气体混合气等含氧气氛中进行，以改善沟道结晶质量、抑制过量氧空位引起的暗电流并优化电子迁移率；在其他实施方式中，也可根据目标沟道电导采用惰性气氛或低氧分压退火。所述第二次退火处理用于调节光吸收层的缺陷态、晶化程度及异质结界面状态，优选在氮气、氩气等惰性气氛中进行，以稳定光吸收层和异质结界面并保留适量缺陷态；在需要降低过量氧空位或暗电流时，也可采用含氧气氛、惰性/含氧组合气氛或分步退火。

25、基于前述方案，所述在所述光吸收层上形成源电极和漏电极，包括：在所述光吸收层上旋涂光刻胶，经曝光、显影后形成电极图形；采用磁控溅射沉积钛层和金层，形成源电极和漏电极；通过剥离工艺去除多余金属及光刻胶，完成电极制备。

26、根据本发明的另一方面，提供一种多模式紫外光电探测器在神经形态视觉系统中的应用，包括：

27、构建由多个所述探测器组成的探测器阵列；

28、通过调节施加于所述探测器阵列的背栅电压，并配合调节施加于各探测器、各行或各列的源漏电压，使所述探测器阵列中的不同探测器分别工作于不同的工作模式；其中，所述背栅电压的施加方式包括全局施加或分区施加中的至少一种，所述探测器阵列的背栅配置包括共用背栅、经电学隔离的分区背栅或行列寻址背栅中的至少一种；

29、将外部光信号输入至所述探测器阵列；

30、利用工作于正向突触可塑性模式的探测器对目标信号进行非线性权重放大或累积增强处理；

31、利用工作于负向突触可塑性模式的探测器对背景噪声或干扰信号进行抑制处理；

32、利用相邻工作于正向突触可塑性模式和负向突触可塑性模式的探测器模拟生物视网膜侧抑制机制，提取差分输出以实现边缘特征提取；

33、所述探测器阵列输出经处理后的电信号。

34、基于前述方案，所述经处理后的电信号包括图像去噪信号、对比度增强信号和边缘提取信号中的至少一种。

35、由上述技术方案可知，本发明与现有技术相比至少具备以下优点和积极效果：通过构建可控漏电栅介质层/电子传输层/高k中间介质层/光吸收层叠层结构，并在优选实施方式中采用可控漏电栅介质层/zno/超薄al2o3/ga2o3叠层结构，引入超薄al2o3等高k中间介质层作为隧穿层和电荷俘获层，结合栅极电压与源漏电压的协同调控，在单一薄膜晶体管器件上实现了正向自供电探测、正向快速响应探测、正向突触可塑性及负向突触可塑性四种工作模式的自由切换。仅通过调节栅极电压vg与源漏电压vd的相对大小或等效偏置窗口（包括vd=vg=0的零偏置情形、vd≈vg、vd相对于vg更高、vg相对于vd更高）即可实现多种模式的切换，调控逻辑简单、易于实现，无需复杂的时序控制或额外外围电路。同时，本发明将200nm至400nm范围内的紫外波段扩展建立在光吸收能力与zno/光吸收层ⅰ型或类ⅰ型能带结构的双重约束基础上，使替代光吸收材料不仅能够吸收目标紫外光，还能够维持电子向zno沟道侧转移、空穴或正电荷中心在光吸收层/界面侧滞留、以及高k中间介质层隧穿-俘获调制的载流子路径；由此避免了仅依据禁带宽度进行材料替换导致的能带方向反转或多模式响应失效问题。在阵列实现方面，对于以导电衬底作为背栅的结构，本发明优选采用共用背栅配合各单元、各行或各列源漏偏置独立配置，以降低工艺和布线复杂度；在需要提高分区校准能力时，可采用经电学隔离的分区背栅或行列寻址背栅。由此，本发明能够在不要求每个单元均具有独立衬底背栅的情况下，实现大面积阵列的多模式配置和神经形态预处理。

36、进一步地，本发明没有将负向光响应简单归因于单一漏电或单一缺陷因素，而是将可控漏电栅介质层提供的垂直电荷传输分量、高k中间介质层的电荷俘获/释放及界面电荷、以及光吸收层内部缺陷态作为协同调控因素。由此，即使不同器件中材料缺陷态密度或界面态分布存在差异，也可通过栅介质层漏电水平、结构设计、退火工艺和偏置条件调节负向响应的出现和强度。

37、本发明应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。