一种基于铁电PN结的光电器件及其制备方法与流程

一种基于铁电pn结的光电器件及其制备方法
1.本技术要求在2021年08月05日提交的申请号为“202110896408.1”、申请名称为“一种光电器件及其制备方法”的在先专利申请案的在先申请优先权。
技术领域
2.本发明涉及无机半导体纳米材料技术领域，尤其涉及一种基于铁电pn结的光电器件及其制备方法。


背景技术：

3.光电效应是指当光线照射在金属表面时，能使金属中的电子从表面逸出的现象。光电器件是指根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。
4.常见的光电器件通常包括光电管、光电二极管以及光电三极管等，其工作原理都是光照射到光电器件上时，引起光电器件内物质的电性质发生变化。光电器件在光的辐照作用下发射电子的效应，从而将光信号转化为电信号。
5.然而，现有技术中的光电器件对光的依赖性较强，在光照下产生的电流较弱，因此将光转化为电信号的效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于铁电pn结的光电器件及其制备方法，解决现有技术中光电器件效率低的问题。
7.本发明提供一种基于铁电pn结的光电器件，包括基板；位于所述基板上形成pn结的铁电半导体材料层和光敏材料层，其中所述铁电半导体材料层和与所述光敏材料层在竖直方向上部分重叠并在接触面上形成pn结；第一电极和第二电极，分别与所述铁电半导体材料层和所述光敏材料层电连接。
8.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件，所述第一电极位于所述铁电半导体材料层未与所述光敏材料层重叠的一端并与所述铁电半导体材料层电连接，且所述第二电极形成于所述光敏材料层未与所述铁电半导体材料层重叠的一端并与所述光敏材料层电连接。
9.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件，所述第一电极形成于所述铁电半导体材料层上，所述第二电极形成于所述光敏材料层上。
10.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件，所述光电器件为二极管。
11.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件，所述光电器件为场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极形成于所述基板，所述场效应晶体管的漏极和源极各自形成于所述第一电极和第二电极，所述栅极与所述铁电半导体材料层和光敏材料层之间通过介质层隔离设置。
12.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件，所述光电器件为场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极形成于所述基板之上，并与所述铁电半导体材料层和光敏材
料层之间通过介质隔离设置，所述场效应晶体管的漏极和源极各自形成于所述第一电极和第二电极。
13.本发明还提供一种整流器，包括基于铁电pn结的光电器件，所述光电器件作为整流二极管。
14.本发明还提供一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法，其特征在于，包括：提供基板；在所述基板上形成铁电半导体材料层和光敏材料层，其中所述铁电半导体材料层和与所述光敏材料层在竖直方向上部分重叠并在接触面上形成pn结；形成第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别与所述铁电半导体材料层和所述光敏材料层电连接。
15.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法，在所述基板上形成铁电半导体材料层和光敏材料层，包括：在微机械剥离得到的铁电半导体材料纳米片上旋涂ppc溶液；烘烤所述ppc溶液以形成ppc膜；使用去离子水剥离粘附所述铁电半导体材料纳米片的ppc膜；将粘附所述铁电半导体材料纳米片的所述ppc膜转移到形成有光敏材料层的纳米片上，使得所述铁电半导体材料纳米片部分覆盖所述光敏材料层的纳米片；溶解所述ppc膜，剩下铁电半导体材料纳米片形成了所述铁电半导体材料层。
16.根据本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法，形成第一电极和第二电极，包括：在所述铁电半导体材料层和光敏材料层上形成光刻胶；对所述光刻胶进行图形化，形成露出所述铁电半导体材料层和光敏材料层的第一通孔和第二通孔；在所述第一通孔和第二通孔中填充导电材料，分别形成第一电极和第二电极。
17.本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件及其制备方法，其中基于铁电pn结的光电器件可以包括位于基板上形成pn结的铁电半导体材料层和光敏材料层，其中所述铁电半导体材料层和与所述光敏材料层在竖直方向上部分重叠并在接触面上形成pn结。由于铁电半导体材料层具有非挥发的铁电极化，这使得在不施加驱动电压的情况下，铁电半导体材料层内部能够在一定时期内保持可调控的退极化场。在这种情况下，对光电器件施加光照，可以调节铁电材料层的内部电势，使得光电器件的输出电流可调，从而在不施加驱动电压的情况下，光学器件展现出非易失且可调控的光伏效应及光电转换效率，提升光电转换效率。
附图说明
18.图1是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的结构示意图；
19.图2是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为光电二极管的效果图之一；
20.图3是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为光电二极管的效果图之二；
21.图4是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为光电二极管的效果图之三；
22.图5是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为光电二极管的效果图之四；
23.图6是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管的结构图；
24.图7是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管作为类视网膜突触的结构示意图；
25.图8是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管作为类视网膜突触的效果图之一；
26.图9是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管作为类视网膜突触的效果图之二；
27.图10是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管作为类视网膜突触的效果图之三；
28.图11是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为整流器的效果图之一；
29.图12是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件为整流器的效果图之二；
30.图13是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法的流程图之一；
31.图14是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法的流程图之二；
32.图15是本发明提供的一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法的流程图之三。
33.图中：1、基板；2、铁电半导体材料层；3、光敏材料层；4、第一电极；5、第二电极；6、栅极；7、源极；8、漏极；9、介质层。
具体实施方式
34.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
35.本发明提供一种基于铁电pn结的光电器件，包括基板1；位于所述基板1上形成pn结的铁电半导体材料层2和光敏材料层3，其中所述铁电半导体材料层2和与所述光敏材料层3在竖直方向上部分重叠并在接触面上形成pn结；第一电极4和第二电极5，分别与所述铁电半导体材料层2和所述光敏材料层3电连接。
36.具体地，基板1位于铁电半导体材料层2和光敏材料层3的底部，起到支撑的作用。基板1采用半导体材料制成，通常使用硅或者锗。基板1和铁电半导体材料层2和光敏材料层3之间还设置有介质层9，介质层9由绝缘体制成，通常为二氧化硅。铁电半导体材料层2和光敏材料层3位于基板1上，两者分别形成n型区和p型区，从而形成异质结。铁电半导体材料层2与所述光敏材料层3的竖直方向上部分重叠形成pn结。第一电极4和第二电极5为光电器件的两个电连接端口，分别用于和电源的负极、正极连接，从而发挥光电器件的单向导电性。
37.进一步地，所述第一电极4位于所述铁电半导体材料层2未与所述光敏材料层3重叠的一端并与所述铁电半导体材料层2电连接，且所述第二电极5形成于所述光敏材料层3未与所述铁电半导体材料层2重叠的一端并与所述光敏材料层3电连接。
38.所述第一电极4形成于所述铁电半导体材料层2上，所述第二电极5形成于所述光敏材料层3上。
39.具体地，第一电极4和第二电极5分别设于铁电半导体材料层2上和光敏材料层3上，并且分别位于两者的两端。在其他的一些实施方式中，第一电极和第二电极还可设于铁电半导体材料层和光敏材料层的侧面(图中未示出)。
40.铁电半导体材料层2由铁电半导体材料制成，铁电半导体材料是指同时具有铁电效应和半导体特性的一类材料，铁电半导体材料具备铁电性，铁电材料的晶体中，晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，且电偶极矩方向可以因外电场而改变，呈现出类似于铁磁体的特点。施加外加电压使铁电材料极化，撤去外加电压后，其内部电偶极子整齐排列，可以产生巨大的退极化电场。本实施例中将铁电半导体材料与另一种光敏材料相结合，利用铁电半导体材料的剩余极化产生的强局域电场来调控pn结的内部特性。
41.本实施例中铁电半导体材料层2采用硒化铟，硒化铟相较于硅具有更好的导电性能。并且，硒化铟作为一种铁电材料，能够根据自身的自发极化产生退极化场，由于具备较窄的带隙，能够更好地吸收光照，从而在电路中产生更大的电流。
42.本实施例中光敏材料层3采用二碲化钼，二碲化钼相较于硅，也有较好的导电性能。由于二碲化钼的费米能级与硒化铟相匹配，两者形成pn结后，二碲化钼能够使得硒化铟的铁电极化更好地调节内建电势的大小。由于铁电半导体材料具有较窄的带隙，在光照条件下，能够产生更强的电流，从而提升了光电效应的效率。在其他实施方式中，二碲化钼还可以替换为二硒化钨、黑磷等。
43.在一种可选的实施方式中，所述光电器件为二极管。
44.本实施例中的二极管为光电二极管时，光电二极管中的pn结因其特殊材质具有更好的性能。具体表现为：由于铁电半导体材料层2具有非挥发的铁电极化，这使得在不施加驱动电压的情况下，铁电半导体材料层2内部能够在一定时期内保持可调控的退极化场。在这种情况下，对光电器件施加光照，可以调节pn结的内建电势，使得光电器件的输出电流可调，从而在不施加驱动电压的情况下，光学器件展现出非易失且可调控的光伏效应及光电转换效率，提升光电转换效率。在光照条件下，铁电半导体材料层2因其铁电极化形成退极化场，与其形成pn结的光敏材料层3因为与铁电半导体材料层2的费米能级匹配，能够使得铁电半导体材料层2的铁电极化更好地调节内建电势的大小。铁电材料因具有较窄的带隙，因此在光照的条件下，能够产生更大的电流。因此，本发明提供的光电二极管能够使光电效应的效率增强，产生更大的电流，从而无需外加较大的电源电压，因而减小了能耗。
45.本实施例作为光电二极管时，展示了在硒化铟的初始状态和极化向上和向下两种极化状态下的光电效应曲线。如图2
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图5所示，分别表示在473纳米，539纳米，639纳米和808纳米的激光光照下不同极化状态的光电效应。由图2
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图5可以看出，在暗态不加电压时，电流为零，当施加正向或反向电压时，电流的增大和减小相较于原始状态均有着明显的变化。具体表现为：在原始状态下，施加光照时，输出的电流和电压成正比，电流随着电压的增大而增大；在施加完80福特脉冲之后，电流的增大幅度会增强；而在施加完
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80福特脉冲之后，电流的增大幅度会有所减弱。并且，当激光光照为539纳米时，产生的电流增大效果最明显，而当激光光照为808纳米时，电流增大的幅度将会有所减弱。因此，本实施例的光电二极管对光电效应有着明显的调制行为。
46.在一种优选的实施方式中，所述基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极6形成于所述基板1，所述场效应晶体管的漏极8和源极7各自形成于所述第一电极4和第二电极5，所述栅极6与所述铁电半导体材料层2和光敏材料层3之间通过介质层9隔离设置。
47.具体地，基板1位于底部，起到支撑的作用，并且基板1本身可作为栅极。介质层9位于基板1之上，通常由绝缘材料制成，用于隔离栅极6和铁电半导体材料层2以及光敏材料层3。本实施例中，场效应晶体管的导电沟道为铁电半导体材料层2和光敏材料层3相互串联。
48.在一种可选的实施方式中，所述基于铁电pn结的光电器件为场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极6形成于所述基板1之上，并与所述铁电半导体材料层2和光敏材料层3之间通过介质隔离设置，所述场效应晶体管的漏极8和源极7各自形成于所述第一电极4和第二电极5。
49.如图6所示，具体地，铁电半导体材料层2和光敏材料层3设置于基板1上，介质层9设置于铁电半导体材料层2和光敏材料层3形成的pn结之上，栅极6形成于介质层9之上。源极7和漏极8分别设置于光敏材料层3上和铁电半导体材料层2上。
50.当光电器件用作场效应晶体管时，当栅极6加上电压时，便能够调节铁电半导体材料层2的极化，产生退极化场并调节内建电势的大小，而光敏材料层3与铁电半导体材料层2有着相匹配的费米能级，从而使得铁电半导体材料层铁电半导体内极化产生的退极化场能够更好地调节pn结的内建电势。
51.具体表现为，当本发明提供的场效应晶体管接入电路中，将栅极6通入脉冲电压，使铁电半导体材料层2内部产生退极化场。当退极化场与pn结形成的内建电势方向相同时，能够产生更强的短路电流；当退极化场与pn结形成的内建电势方向相反时，能够对短路电流产生抑制，从而起到切断电路的作用。
52.如图7和图8所示，本实施例提供的场效应晶体管可作为类视网膜的突触结构，后突触神经元11可对前突触神经元10的增强和抑制作用进行放大，产生更强的增强或抑制反应。
53.具体地，将场效应晶体管的源极和漏极接通，在光照条件下能够产生短路电流，通过栅压的正负幅值便能够实现短路电流的增加和减弱。通过本实施例中场效应管的电流增强和减弱的能力，来模拟生物神经突触权重的增强和抑制。
54.如图9所示，本实施例提供的场效应晶体管可作为类视网膜光电突触器件时模拟神经突触的双脉冲易化和双脉冲抑制行为。当施加脉冲的频率较高时，短路电流明显增强，对应神经突触的双脉冲易化行为；当施加的脉冲频率较低时，短路电流明显降低，对应神经突触的双脉冲抑制行为。
55.如图10所示，本实施例提供的场效应晶体管可作为类视网膜的突触结构，对神经形态学习规则的模拟。相对于第一次100个脉冲刺激达到的学习强度，第二次学习只需要60次脉冲刺激，而第三次学习仅仅需要25个脉冲刺激。
56.本发明提供一种整流器，包括基于铁电pn结的光电器件，所述光电器件作为整流二极管。
57.整流器是一种将交流电转化为直流电的器件，其工作原理为：pn结在正向偏置时电流很大，反向偏置时电流很小。整流比是指正向通电时电流的大小与反向截止时电流大小的比值。
58.如图11和图12所示，当加入正向和负向的脉冲电压时，整流器内的pn结由于铁电半导体材料层2形成的退极化场，可以对电流的放大和削弱作用进一步增强。具体表现为，当脉冲电压与铁电半导体材料层pn结形成的内建电势方向相同时，能够产生更强的电流；当脉冲电压与铁电半导体材料层pn结形成的内建电势方向相反时，整流器内的pn结形成断路，从而切断电路。由于整流器对电流的增大和减小均能起到增强作用，因此当施加脉冲电压时，能够产生更大的整流比。
59.本发明提供一种基于铁电pn结的光电器件的制备方法，如图13所示，包括以下步骤：
60.s1：提供基板1；
61.具体地，基板1由半导体材料制成，基板1上还设置一层起绝缘作用的介质层9。
62.s2：在所述基板1上形成铁电半导体材料层2和光敏材料层3，其中所述铁电半导体材料层2和与所述光敏材料层3在竖直方向上部分重叠并在接触面上形成pn结；
63.s3：形成第一电极4和第二电极5，所述第一电极4和所述第二电极5分别与所述铁电半导体材料层2和所述光敏材料层3电连接。
64.进一步地，如图14所示，在所述基板1上形成铁电半导体材料层2和光敏材料层3，包括：
65.s21：在微机械剥离得到的铁电半导体材料纳米片上旋涂ppc溶液；
66.s22：烘烤所述ppc溶液以形成ppc膜；
67.s23：使用去离子水剥离粘附所述铁电半导体材料纳米片的ppc膜；
68.s24：将粘附所述铁电半导体材料纳米片的所述ppc膜转移到形成有光敏材料层3的纳米片上，使得所述铁电半导体材料纳米片部分覆盖所述光敏材料层3的纳米片；
69.s25：溶解所述ppc膜，剩下铁电半导体材料纳米片形成了所述铁电半导体材料层2。
70.具体地，铁电半导体材料纳米片为硒化铟纳米片，光敏材料层3的纳米片为二碲化钼纳米片。两种纳米片均是通过透明胶带对折粘贴相应的块体材料制备得到，将二碲化钼纳米片和硒化铟纳米片放在300纳米厚二氧化硅氧化层的基板1上，在有硒化铟纳米片的硅基底上旋涂ppc溶液，烘干ppc溶液后在塑料框的支撑下把硒化铟纳米片从硅基底上剥离下来。其中，把硒化铟纳米片从硅基底上剥离，需要在光学显微镜的帮助下，将硒化铟纳米片精准放置到二碲化钼纳米片上。
71.进一步地，如图15所示，形成第一电极4和第二电极5包括：
72.s31：在所述铁电半导体材料层2和光敏材料层3上形成光刻胶；
73.s32：对所述光刻胶进行图形化，形成露出所述铁电半导体材料层2和光敏材料层3的第一通孔和第二通孔；
74.s33：在所述第一通孔和第二通孔中填充导电材料，分别形成第一电极4和第二电极5。
75.具体地，在旋涂光刻胶之后，在光刻胶上通过电子束曝光形成第一通孔和第二通孔，将铁电半导体材料层2和光敏材料层3通过第一通孔和第二通孔露出。然后通过沉积金属的方法在第一通孔和第二通孔内形成两个金属电极。其中，金属电极的材质为金和铬，两者的厚度分别为60纳米和8纳米。
76.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。