光电晶体管、仿生偏振导航设备制备方法及偏振光探测器与流程

1.本发明涉及偏振光探测技术领域，尤其涉及光电晶体管、仿生偏振导航设备的制备方法及偏振光探测器。


背景技术：

2.光的偏振态作为光的第三维度，可以提供强度和颜色之外的信息，因此可以极大的拓展可探测的信息范围。因此在成像，通信，传感等光学领域中都扮演着重要的角色。
3.然而，目前商用的光电探测器基本都只对光强和颜色敏感，如需探测光的偏振则要在器件前加一些波片以及偏振片，这类器件结构复杂，体积较大且制备成本高。此外，器件的透过率和成像灵敏度受限于偏振片的消光比。
4.为了解决该技术问题，目前提供了一种自身对偏振敏感的光电探测器。由于不需要外加波片以及偏振片等光学元件，此类功能性光电探测器不会受到器件串扰的影响，从而可以实现微型化集成，并且具有制备工艺简单等优势。此类器件的工作原理是基于晶体材料或者微纳结构的各向异性吸收。但因为受到本征各向异性的限制，器件的偏振灵敏度普遍不高，二向色比一般都低于10。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于解决现有技术中对偏振敏感的光电探测器的偏振灵敏度不高且二向色比一般低于10的技术问题。
6.本发明的一个进一步的目的在于进一步提高光电探测器的二向色比。
7.本发明的另一个目的在于提供一种无需利用滤波片和偏振片就可以准确探测天顶散射光的偏振方向的偏振导航器件。
8.特别地，本发明还提供了一种光电晶体管的制备方法，包括如下步骤：
9.提供表面具有阵列式微沟道的生长模板；
10.在所述生长模板的靠近所述阵列式微沟道一端的一侧施加小分子有机半导体粉末；
11.在所述生长模板的形成有所述阵列式微沟道的一面覆盖石英片；
12.在所述生长模板的施加有所述小分子有机半导体粉末的一端的下方放置垫片，以使所述生长模板倾斜；
13.加热所述生长模板，以使所述小分子有机半导体粉末熔化成小分子有机半导体液体，从而使得所述小分子有机半导体液体在毛细力作用下填充所述阵列式微沟道，冷却后在所述生长模板上得到小分子有机半导体晶体阵列；
14.在所述小分子有机半导体晶体阵列上形成源极和漏极，以制备获得光电晶体管。
15.可选地，所述加热所述生长模板，以使所述小分子有机半导体粉末熔化成小分子有机半导体液体，从而使得所述小分子有机半导体液体在毛细力作用下填充所述阵列式微沟道，冷却后在所述生长模板上得到小分子有机半导体晶体阵列的步骤中，在所述小分子
有机半导体液体填满所述阵列式微沟道时取出所述石英片。
16.可选地，所述加热所述生长模板，以使所述小分子有机半导体粉末熔化成小分子有机半导体液体，从而使得所述小分子有机半导体液体在毛细力作用下填充所述阵列式微沟道，冷却后在所述生长模板上得到小分子有机半导体晶体阵列的步骤中，加热的温度为120℃-140℃中任一值。
17.可选地，所述小分子有机半导体粉末为c8-btbt粉末、c10-btbt粉末或meoph-btbt-8粉末。
18.可选地，所述提供表面具有阵列式微沟道的生长模板的步骤中，所述生长模板的制备方法包括如下步骤：
19.在基底上施加电子束胶，并加热所述基底；
20.利用电子束曝光设备在所述电子束胶上刻蚀阵列式微沟道雏形结构；
21.显影、刻蚀、清洗后在所述基底上得到阵列式微沟道，从而获得所述生长模板。
22.可选地，所述在基底上施加电子束胶，并加热所述基底的步骤中，所述基底为氧化硅/高导n型硅片，加热温度为100℃-140℃中任一值，加热时间为2min-8min中任一值。
23.可选地，所述显影、刻蚀、清洗后在所述基底上得到阵列式微沟道，从而获得所述生长模板的步骤中，是将刻蚀有所述阵列式微沟道雏形结构的所述基底浸入体积比为1:2-4的甲基异丁基酮和异丙醇的混合溶液中进行显影。
24.可选地，所述显影、刻蚀、清洗后在所述基底上得到阵列式微沟道，从而获得所述生长模板的步骤中，利用反应离子刻蚀机对显影后暴露的二氧化硅表面进行刻蚀，且刻蚀深度为80-120nm中任一值。
25.特别地，本发明还提供了一种偏振光探测器，将如前述制备方法制备获得的光电晶体管作为所述偏振光探测器。
26.特别地，本发明还提供了一种仿生偏振导航设备的制备方法，包括如下步骤：
27.将前述的偏振光探测器固定在形成有ito电极的玻璃衬底上；
28.将硅栅极通过铟镓共熔合金贴在所述ito电极上；
29.再利用键合银线将偏振光探测器的源极和漏极引出，连接在所述ito电极上，并进行封装，得到所述仿生偏振导航设备。
30.根据本发明实施例的一个方面，本发明的制备方法制备获得的光电晶体管，通过利用有机晶体的各向异性光吸收，造成各向异性的光生电子捕获，从而诱导出偏振依赖的光诱导栅压调控效应。该效应能够对源漏电流进行各向异性的放大，实现较高的偏振灵敏度以及较高的二向色比。
31.通过控制制备过程中的各项参数以及实验细节，可以使得最终制备获得的光电晶体管具有超过本征各向异性2000倍的偏振灵敏度，以及超过1.2
×
104的极高二向色比，比在先报道的偏振光探测器还高出两个数量级，甚至达到了商用偏振片的消光水平(＞103)。
32.根据本发明实施例的另一方面，在本技术之前并未出现基于前述的光电晶体管的仿生偏振导航设备，本发明开创性地提出这样的结构，该结构简单，制造成本低，且无需利用滤波片和偏振片就可以准确探测天顶散射光的偏振方向，从而实现仿生偏振导航。
33.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
34.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
35.图1示出了根据本发明一个实施例的光电晶体管的制备方法的示意性流程图；
36.图2示出了图1所示步骤s100的示意性流程图；
37.图3示出了根据本发明一个实施例的具有小分子有机半导体晶体阵列的生长模板的扫描电子显微镜图；
38.图4示出了根据本发明一个实施例的小分子有机半导体晶体阵列的透射电子显微镜图及其选区衍射斑点图；
39.图5示出了根据本发明一个实施例的小分子有机半导体晶体阵列的高分辨原子力显微镜图；
40.图6示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的示意性结构图；
41.图7示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的扫描电子显微镜图；
42.图8示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器捕获电子机制的示意性原理图；
43.图9示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器在暗态和光态下的双扫转移特性曲线图；
44.图10示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器在不同偏振态光照下的转移特性曲线图；
45.图11示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的阈值电压偏移随偏振角度呈周期性变化图；
46.图12示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的偏振依赖的源漏电流随栅极电压变化的等值线图；
47.图13示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的在90
°
和0
°
偏振态下的瞬态光响应；
48.图14示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的工作机制示意性原理图；
49.图15示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的另一工作机制示意性原理图；
50.图16示出了仿生偏振导航设备的原理图；
51.图17示出了传统的偏振导航器件的示意性结构图；
52.图18示出了根据本发明一个实施例的封装后的偏振光探测器的图片；
53.图19示出了根据本发明一个实施例的仿生偏振导航设备的测试示意图；
54.图20中(a)至(e)示出了根据本发明一个实施例的在不同天气条件和不同时间对仿生偏振导航设备进行的偏振导航测试图。
具体实施方式
55.图1示出了根据本发明一个实施例的光电晶体管的制备方法的示意性流程图。如图1所示，该光电晶体管的制备方法包括：
56.步骤s100，提供表面具有阵列式微沟道的生长模板；
57.步骤s200，在生长模板的靠近阵列式微沟道一端的一侧施加小分子有机半导体粉末；
58.步骤s300，在生长模板的形成有阵列式微沟道的一面覆盖石英片；
59.步骤s400，在生长模板的施加有小分子有机半导体粉末的一端的下方放置垫片，以使生长模板倾斜；
60.步骤s500，加热生长模板，以使小分子有机半导体粉末熔化成小分子有机半导体液体，从而使得小分子有机半导体液体在毛细力作用下填充阵列式微沟道，冷却后在生长模板上得到小分子有机半导体晶体阵列；
61.步骤s600，在小分子有机半导体晶体阵列上形成源极和漏极，以制备获得光电晶体管。
62.根据本发明实施例的方案，本发明的制备方法制备获得的光电晶体管，通过利用有机晶体的各向异性光吸收，造成各向异性的光生电子捕获，从而诱导出偏振依赖的光诱导栅压调控效应。该效应能够对源漏电流进行各向异性的放大，实现较高的偏振灵敏度以及较高的二向色比。
63.图2示出了图1所示步骤s100的示意性流程图，如图2所示，该步骤s100中生长模板的制备方法包括：
64.步骤s110，在基底上施加电子束胶，并加热所述基底；
65.步骤s120，利用电子束曝光设备在所述电子束胶上刻蚀阵列式微沟道雏形结构；
66.步骤s130，显影、刻蚀、清洗后在所述基底上得到阵列式微沟道，从而获得所述生长模板。
67.在步骤s110中，基底为氧化硅/高导n型硅片，该基底的电阻率小于3ω
·
cm且氧化层的厚度为300nm。该电子束胶为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。在基底上施加电子束胶的方法为在基底上旋涂该pmma，旋涂速率为2500rmp-3500rmp中任一值，例如可以为2500rmp、3000rmp或3500rmp。旋涂时间为20s-40s中任一值，例如可以为20s、30s或40s。
68.在基底上施加电子束胶后加热基底，其中，加热的方法为在加热台上烘干，加热的温度为100℃-140℃中任一值，例如可以为100℃、110℃、120℃、130℃或140℃。加热时间为2min-8min中任一值，例如可以为2min、3min、4min、5min、6min、7min或8min。
69.该步骤s120中，阵列式微沟道雏形结构的宽度为0.8-1.2μm中任一值，例如可以为0.8μm、1μm、1.1μm或1.2μm。该阵列式微沟道雏形结构的长度为0.8-1.2mm，例如可以为0.8mm、1mm或1.2mm。
70.该步骤s130中，是将刻蚀有阵列式微沟道雏形结构的基底浸入体积比为1:2-4的甲基异丁基酮和异丙醇的混合溶液中进行显影。该甲基异丁基酮和异丙醇的体积比为1:2、1:3或1：4。该步骤s130中刻蚀是利用反应离子刻蚀机对显影后暴露的sio2表面进行刻蚀，刻蚀深度为80-120nm中任一值，例如可以为80nm、100nm或120nm。该步骤s130中的清洗是通过丙酮超声清洗20-50min，例如可以超声20min、30min、40min或50min，如此可以去除表面的pmma，得到阵列式微沟道。并且，阵列式微沟道中各个沟道的长度、宽度和深度保持一致，宽度为0.8-1.2μm中任一值、长度为0.8-1.2mm中任一值，深度为80-120nm中任一值。
71.在步骤s100和步骤s200之间还包括利用臭氧清洗机对步骤s100获得的生长模板
进行亲水处理的步骤。该步骤s200中，小分子有机半导体粉末例如可以是2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(c8-btbt)粉末、2,7-二癸基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(c10-btbt)粉末或苯并噻吩类的衍生物如meoph-btbt-8，也可以为其他具有低温液晶特性的小分子有机半导体粉末。该步骤s300中，石英片的尺寸至少要能够完全覆盖生长模板上的阵列式微沟道。在一个实施例中，该石英片的尺寸大于该生长模板的尺寸，例如该石英片为2
×
2cm2。该步骤s400中，垫片优选为加热板，即在生长模板倾斜的状态下对其进行加热。步骤s500中的加热温度为120℃-140℃中任一值，例如可以为120℃、130℃或140℃。该步骤s500中，在小分子有机半导体液体填满阵列式微沟道时取出石英片，也可以说是，在阵列式微沟道完全被c8-btbt液体填满后，立即将石英片取出以避免冷却后与氧化硅/硅衬底粘连。
[0072]
图3示出了根据本发明一个实施例的具有小分子有机半导体晶体阵列的生长模板的扫描电子显微镜图。由图3可知，该小分子有机半导体晶体阵列的生长取向以及形貌均一。图4示出了根据本发明一个实施例的小分子有机半导体晶体阵列的透射电子显微镜图及其选区衍射斑点图。由图4可知，该小分子有机半导体晶体阵列的结晶性好，且面内结构为鱼骨状堆积结构。图5示出了根据本发明一个实施例的小分子有机半导体晶体阵列的高分辨原子力显微镜图。图5进一步说明了该小分子有机半导体晶体阵列的面内结构为鱼骨状堆积结构。
[0073]
图6示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的示意性结构图。图7示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的扫描电子显微镜图。如图6和图7所示，该偏振光探测器是由前述步骤s100至步骤s600制备方法制备获得的，即将前述制备方法制备获得的光电晶体管作为该偏振光探测器。可以将氧化硅/高导n型硅片中的高导n型硅作为栅极，氧化硅层作为介电层。小分子有机半导体晶体阵列作为吸光活性层。在将前述制备方法制备获得的光电晶体管作为偏振光探测器时，前述步骤中的步骤s600中的源极和漏极可以是利用热蒸镀的方法在c8-btbt上蒸镀40-60nm厚的金，例如可以是40nm、50nm或60nm厚的金。其中，该热蒸镀的蒸镀速率可以是＜由于氧化硅表面吸附的羟基活性基团具有很强的电子捕获能力，因此c8-btbt/氧化硅界面相当于有一个浮栅的作用，在光照下额外对电信号调控放大，增强偏振灵敏度。
[0074]
图8示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器捕获电子机制的示意性原理图。氧化硅界面吸附的水氧在正栅压作用下发生电化学反应形成羟基，其具有很强的电子捕获能力。图9示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器在暗态和光态下的双扫转移特性曲线图。如图9所示，暗态下基本没有回滞，而光态下回滞窗口很大，说明器件能够捕获光生载流子。
[0075]
该偏振光探测器的光电特性在室温环境下的真空腔中利用半导体参数分析仪(keithley 4200-scs)测得。实验中，使用365nm的紫外led作为光源，在腔室和紫外灯之间固定一个可旋转的紫外线性偏振片(thorlabs lpuv100-mp2)，用于偏振测试。在开光同时扫描器件的转移特性曲线，其源漏电流随光的偏振角度每90
°
发生交替性的变化，在偏振角度为0
°
、180
°
和360
°
时有着最高的源漏电流，在90
°
、270
°
和450
°
时有着最低的源漏电流，这分别对应于光的偏振方向平行于c8-btbt晶体的a轴和垂直于c8-btbt晶体的a轴(如图10所示)。
[0076]
当垂直偏振态的源漏电流处于晶体管的关态(即约20v)时，平行偏振态的源漏电流已经上升到了晶体管的开态，此时可以得到最大的二向色比(约1.2
×
104)，该值将材料本征的各向异性吸收比(约5.6)放大了超过2000倍。这是由于晶体管各向异性的光吸收引起了电子捕获数量的差异，被捕获的电子相当于额外加了一个负的栅极电压，使得晶体管的阈值电压发生偏移，且不同偏振态下的偏移量不同(图11)，这也造成了器件偏振灵敏度的栅极电压依赖性(图12)。通过选取合适的栅极电压(20v)，实验中测得了器件的在不同偏振态下的瞬态光响应，由于捕获电子数量的差异造成了源漏电流放大程度的差异，开光下源漏电流的上升速度是偏振依赖的，并且在开光后短时间内(约5秒)器件的偏振灵敏度达到最大。之后关闭光源并施加一个负的栅极电压(-100v)来“擦除”捕获的电荷，器件电流回到初始水平，在10个循环过程中器件均保持良好的稳定性(图13)，图13也说明了说明捕获电子的差异引起了光响应时间的巨大差异。
[0077]
图14示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的工作机制示意性原理图。图15示出了根据本发明一个实施例的偏振光探测器的另一工作机制示意性原理图。如图14和图15所示，发明人首次报道并提出了利用偏振依赖的光诱导栅压调控效应来有效放大器件的偏振灵敏度。该方法结合了晶体各向异性的光吸收以及光电晶体管器件的电荷捕获信号放大效应。不同偏振光照射下光吸收的差异会引起光生载流子数量的差异，由于电荷捕获态的存在，被捕获的电荷数量也会有差异，诱导出的额外电场也有强弱的差异，从而使得导电沟道的电流放大程度不同，极大提高了器件的偏振灵敏度，远超之前报道的基于光电导和光电二极管的偏振光探测器。
[0078]
特别地，本发明实施例还提供了一种仿生偏振导航设备的制备方法。该制备方法包括如下步骤：将前述的偏振光探测器固定在形成有ito电极的玻璃衬底上；将硅栅极通过铟镓共熔合金贴在ito电极上；再利用键合银线将偏振光探测器的源极和漏极引出，连接在ito电极上，并进行封装，得到仿生偏振导航设备。
[0079]
仿生偏振导航是模仿沙蚁利用复眼结构中的偏振敏感神经杆进行辅助导航，其具有高度自主性，不和外界环境进行交互，相较于传统的基于地磁和全球卫星定位系统来说，偏振导航的抗干扰能力更强。其基于散射的太阳光的偏振围绕太阳子午线对称这一原理。尤其是在天顶处的偏振方向是垂直于太阳子午线的，这一规律不受太阳方位角的影响而稳定存在。因此，通过测量天顶散射光的偏振方向，可以得到行进方向与太阳子午线的相对角度。并且由于太阳子午线相对于正北方向有规律的变化，可以通过实时的太阳子午线位置推算出行进方向的具体朝向(图16)。
[0080]
传统偏振导航器件由体积庞大、空间分离的紫外滤光片、线栅偏振器和偏振光不敏感的光电二极管组成。而本技术实施例的工作大大简化了器件结构，利用c8-btbt的紫外敏感可见光不敏感的特性，以及光电晶体管极高的偏振灵敏度，实现了微型化，简易化的新型偏振导航设备的制备(图17)。同时有机材料具有简单低成本制备的优势，又可以与目前商业化的硅工艺兼容，在高集成度的微纳偏振传感器领域有很重要的应用前景。
[0081]
为了对仿生偏振导航设备进行测试，实验中首先将光电晶体管固定在氧化铟锡(ito)/玻璃衬底上，硅栅极通过铟镓共熔合金贴在ito电极上。采用直径20μm的键合银线将源极/漏极引出，连接到ito电极上。在充满氮气的手套箱中使用2.5
×
2.5cm2石英盖片对器件进行封装(图18)。封装后的设备固定在一个暗盒中，暗盒的顶端开一个直径约1.3cm的圆
孔用于接收天顶的散射光，并排除来自周围环境的光。通过三个鳄鱼夹分别连接源、漏、栅ito电极，并与半导体参数分析仪(keithley 4200-scs)连接，可以进行户外偏振导航的测试(图19)。
[0082]
本技术的发明人对本发明实施例的仿生偏振导航设备进行了户外测试。测试过程中，首先借助指北针将c8-btbt晶体阵列的a轴(最大吸光轴)向北对准，并将该方向设为0
°
参考方向。之后每隔15
°
顺时针旋转光电晶体管采集相应角度下的源漏电流。测试发现本发明实施例的仿生偏振导航设备在晴天和多云天均表现出优异的抗干扰能力。此外，尽管太阳向西运动会引起光强变化，器件仍然能够区分光的偏振信息。通过将偏振依赖的源漏电流拉平基线并做归一化，拟合得到了最强光响应方向(图20中间列的极坐标图)，该方向能够精准反映实时大气散射光的偏振电场矢量方向(图20右边的极坐标图)。具体测试结果由以下表1列出。
[0083]
表1
[0084][0085]
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。