一种可实现动态目标探测的视网膜形态光电探测器

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1.本发明设计属于光电探测器领域，具体来说是一种可实现动态目标探测的视网膜形态光电探测器。


背景技术：

2.随着物联网的发展，对于运动目标的探测和识别变得越来越重要。传统的动态目标探测系统是基于传统的冯诺依曼架构，即探测、存储和数据处理是分离的。这种架构使得大量无用的信号由探测器端经过数据总线传输给处理器端。传输过程以及处理过程都会增加大量无用的能源消耗。近些年，发展了一种新的探测器架构——在探测器内部完成计算操作(感算一体)。而目前基于感算一体的工作大多利用了新发展的半导体材料如二维材料或者钙钛矿，这必然会面临与当前成熟的硅工艺不兼容的问题。因此实现一种基于感算一体结构并且兼容硅工艺的动态目标探测器是十分必要的。而人类视觉系统是一个高效的动态目标探测系统，其中视网膜上的y型神经节细胞仅对变化的光强信号做出响应，大大降低了后续传输到大脑内进行数据处理的信息量。并且视网膜对于光强的响应与光强呈现对数关系，使得可直接从光响应的大小得到光强变化的程度而不是光强的绝对值。模拟人类视觉系统的工作形式将有助于实现高效的动态目标探测。
3.利用电容器可以实现对于静态信号的阻隔以及变化信号的通过。并且利用金属/绝缘体/半导体组成的光敏化学电容可实现对于光强的对数响应。因此利用金属/绝缘体/半导体的结构即可以实现对于人类视觉系统的光强响应的模拟。


技术实现要素：

4.针对目前技术中心存在的问题，本发明的目的是通过模拟人类视觉系统的光强响应特性，实现一个兼容硅工艺的动态目标探测器。其显著优点是对于不变的光强信号本探测器不会输出信号，而当光强发生变化时，本探测器会输出一个脉冲电信号，脉冲强度与光强变化前后的比值呈正比关系。
5.一种新型光电探测器，其特征在于：光电探测器自上而下依次包括上电极(1)、绝缘层(2)、光吸收层(3)、下电极(4)，其中上电极为钛和金，绝缘层为二氧化硅，光吸收层为本征硅，下电极为铜。
6.上电极(1)为多独立闭环排列组成，闭环数量对应图像传感器的像素数量，数量越多可以实现更加清晰的图像探测结果。并在每一个闭环一侧引出引线。每个闭环结构：下层为10nm厚的钛，上层为70nm厚的金。
7.闭环结构优选为“口”字形，边长为500μm，线宽为10μm。
8.绝缘层(2)为300nm厚的二氧化硅，由光吸收层(3)表面经过干氧氧化法形成。
9.光吸收层(3)为500μm厚的本征硅，电阻率大于10 000ω
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cm，尺寸为1cm
×
1cm。
10.下电极(4)为铜，直接与光吸收层(3)接触，尺寸为2cm
×
5cm，。
11.所述的新型光电探测器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
12.a.本征硅上表面由干法氧化制备表面的二氧化硅；本征硅一侧与铜电极连接；
13.b.制作上电极
14.在a得到的器件上表面利用电子束蒸镀对应的金属作为上电极，金属层均匀且纯度大于99wt％，上电极闭环形状优选为“口”字形，一边引出引线与外部测试电路连接；
15.本征硅另一侧与制备铜电极连接。
16.上电极的准备具体是在得到的硅/二氧化硅衬底上旋涂光刻胶，通过光刻技术得到对应电极图形的反图形，然后用显影液去掉被被曝光的光刻胶，再用电子束蒸镀技术在光刻胶上均匀蒸镀厚度为10nm的钛和70nm的金，然后经过丙酮溶液浸泡去掉多余的光刻胶和多余的金属，得到相应图案的电极。
17.上电极与下电极分别与源表连接，源表电压为0v，测试电流的变化。
18.测试过程中的特征为光源，从上电极的闭环如“口”字形内入射。
19.即可以实现对于人类视觉系统的光强响应的模拟。
附图说明：
20.图1为器件结构示意图
21.图2为光强响应图
22.图3为测试示意图
23.图4为运动小车测试
具体实施方式：
24.为了方便理解，下面结合附图，介绍一个具体案例：利用该探测器实现对于运动小车的探测。
25.(1)如图1所示，在本征硅上利用光刻技术以及电子束蒸镀技术制作上电极。具体方法是在硅片上旋涂光刻胶(反胶)，通过掩膜版紫外曝光曝光1.2s泛曝光22s，然后显影，之后利用电子束蒸镀方法蒸镀金电极,蒸发速率为2a/s，电流值为12a，最后通过lift off工艺洗掉光刻胶在衬底上形成了顶电极。得到的顶电极形状为“口”字形，并在一侧引出引线。“口”字形边长为500μm，线宽为10μm，“口”字型电极数量对应图像传感器的像素数量，数量越多可以实现更加清晰的图像探测结果。
26.(2)将以上样品放置在光电测试平台的铜板上，上电极和铜板分别与半导体分析仪连接，测试电流随时间的变化。
27.(3)将动态小车的运动图像照在探测器上，测试探测器上的电流变化。
28.实验数据：
29.由于小车的运动会引起照射到探测器上的光强变化。在这个例子中，小车的前端会变暗，小车后端会变量。在小车前端相应的像素会产生负的脉冲信号，而在小车后端会产生正的脉冲信号。综合所有像素即可以得到小车运动的轮廓。对于静态的背景本探测器没有响应，则统一为相同的信息。即实现了对于运动目标的探测。


技术特征：
1.一种新型光电探测器，其特征在于：光电探测器自上而下依次包括上电极(1)、绝缘层(2)、光吸收层(3)、下电极(4)，其中上电极为钛和金，绝缘层为二氧化硅，光吸收层为本征硅，下电极为铜；上电极(1)为多独立闭环排列组成，闭环数量对应图像传感器的像素数量，数量越多可以实现更加清晰的图像探测结果；并在每一个闭环一侧引出引线。2.按照权利要求1所述的一种新型光电探测器，其特征在于：每个闭环结构：下层为10nm厚的钛，上层为70nm厚的金。3.按照权利要求1所述的一种新型光电探测器，其特征在于：闭环结构优选为“口”字形，边长为500μm，线宽为10μm。4.按照权利要求1所述的一种新型光电探测器，其特征在于：绝缘层(2)为300nm厚的二氧化硅，由光吸收层(3)表面经过干氧氧化法形成。5.按照权利要求1所述的一种新型光电探测器，其特征在于：光吸收层(3)为500μm厚的本征硅，电阻率大于10 000ω
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cm，尺寸为1cm
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1cm。6.按照权利要求1所述的一种新型光电探测器，其特征在于：下电极(4)为铜，直接与光吸收层(3)接触，尺寸为2cm
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5cm。7.权利要求1所述的一种新型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：b.制作上电极在a得到的器件上表面利用电子束蒸镀对应的金属作为上电极，金属层均匀且纯度大于99wt％，上电极闭环形状优选为“口”字形，一边引出引线与外部测试电路连接；本征硅另一侧与制备铜电极连接；上电极的准备具体是在得到的硅/二氧化硅衬底上旋涂光刻胶，通过光刻技术得到对应电极图形的反图形，然后用显影液去掉被被曝光的光刻胶，再用电子束蒸镀技术在光刻胶上均匀蒸镀厚度为10nm的钛和70nm的金，然后经过丙酮溶液浸泡去掉多余的光刻胶和多余的金属，得到相应图案的电极。8.权利要求1所述的一种新型光电探测器的应用，上电极与下电极分别与源表连接，源表电压为0v，测试电流的变化；测试过程中的特征为光源，从上电极的闭环如“口”字形内入射；即可以实现对于人类视觉系统的光强响应的模拟。

技术总结
一种可实现动态目标探测的视网膜形态光电探测器，属于光电探测器领域。光电探测器自上而下依次包括上电极(1)、绝缘层(2)、光吸收层(3)、下电极(4)，其中上电极为钛和金，绝缘层为二氧化硅，光吸收层为本征硅，下电极为铜。上电极(1)为多独立闭环排列组成，闭环数量对应图像传感器的像素数量，数量越多可以实现更加清晰的图像探测结果。并在每一个闭环一侧引出引线。每个闭环结构：下层为10nm厚的钛，上层为70nm厚的金。对于不变的光强信号本探测器不会输出信号，而当光强发生变化时，本探测器会输出一个脉冲电信号，脉冲强度与光强变化前后的比值呈正比关系。比值呈正比关系。


技术研发人员：张永哲 武一 陈小青 邓文杰
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.11.08
技术公布日：2023/2/3