一种光生电荷自驱动耦合转移的负熵紫外传感器

本发明涉及智能光电传感领域，具体地说是一种通过光伏场控制感应电荷暂存和释放形成负熵机制，实现自驱动的电荷包耦合转移的紫外传感器。

背景技术：

1、紫外线广泛存在于人类日常生存的环境中，过量的紫外线辐射会使人体和生物的生物细胞受到伤害，但是合理的应用紫外线也可以给我们的生活带来很多便利，比如可以应用于火焰检测、污染监测、气体分析、紫外预警等方面，因此紫外探测技术以及紫外传感器的发展备受国内外学者关注。一般的紫外探测往往是基于半导体光电导效应以及半导体光伏效应，这与半导体材料(zno)对紫外光的吸收特性密切相关,这些器件可以获得对紫外光良好的响应度、响应速度等，一些基于光伏效应的器件还具有自供电的效果。但是，这些器件中的光生载流子并不能被储存，在一些需要对紫外线进行量的监测的场合并不适用，所以一种光生载流子具备能量属性的同时又可以进行信息传递的器件是很必要的。

2、近年来在机电领域，出现了自供电超级电容器模式触觉探测器，该器件通过将固态电解液作为压电纳米发电机的分隔器，可以在压力探测的同时收集机械能量并存储，这与传统的电容式机电传感器和利用机械能自充电的超级电容器不同，该器件可以在控制电荷存储同时实现能量采集和机电传感。然而，光电器件中可以通过控制电荷存储同时利用入射光能量和信息的器件却少有报道。即便是自驱动传感器，在无外加偏置下对入射光做出响应，降低的是系统在暗态待机时的静态功耗，然而依靠电流输运实时的光电流较微弱，需要在其后端配置小信号检测电路来完成微弱电流探测，但是系统的复杂无疑是增加了器件的功耗。有机场效应存储器可以作为紫外传感器，该器件利用有机材料非易失性的俘获光敏层激发的光生载流子，调控导电沟道，通过监测源漏电流的变化进行光电传感，但俘获的电荷并不能被再利用，也没有能量载体的属性。对于非光伏器件，像电荷耦合器件可以根据光的强弱积聚相应的电荷，再通过相邻势阱间相互耦合，顺序读出，但电荷由光电导效应注入，只参与了信息传递，并无能量属性。

3、对可以进行电荷储存、自驱动以及传感的器件，目前的研究主要集中在来实现多功能集合，而不仅仅是利用光能进行传感，该类器件目的是要使光生载流子在器件中可以同时完成能量供应以及信息传递的功能。虽然已有研究将光电传感器和储能元件超级电容器集成在一个系统中，以此来实现储能和光电探测的功能，但是，超级电容器需要通过其他供能模块充电，而传感器是作为负载工作。传感器和太阳能电池都利用光伏效应，只是传感器以窄波长范围的光信号为中心，且受结电容影响的响应速度是其重要性能参数；而太阳能电池在宽波长范围内的光谱响应必须广泛，且需要大的受光面积。虽然被称为太阳能电池，但光生载流子在内部不能在太阳能电池内部存储，器件仍需与蓄电池或超级电容器等储能器件连接来进行光生电荷存储。在已有的研究中，利用光伏效应的自供电器件也备受研究人员的青睐，该类器件利用了在特定波长下产生的光生载流子来进行自驱动的紫外传感，但是光生电荷依旧不能在器件中储存。在一些实际应用中，如紫外消毒监控和紫外天文成像等，需要的紫外线的传感是对其剂量的监控，这需要累积一定时间内光强，而不是瞬时信号，此时响应速度不重要，因此可以通过控制电荷存储进行光电传感。一般传统的紫外传感器是探测紫外光强，若要实时监控紫外剂量，就需外接积分采样电路和信号处理电路，但这样就增大了系统规模和能耗。因此，本专利设计了一种通过控制电荷存储同时利用入射光能量和信息的紫外传感器。

技术实现思路

1、本发明是一种光生电荷自驱动耦合转移的负熵紫外传感器，通过能量主导信息转移的负熵机制，利用空间暂存的光生电荷驱动信息电荷包耦合转移进行紫外传感。设计了超宽禁带半导体异质结作为光伏场控制短期电荷存储式的器件结构，该器件的光生载流子被分为两部分，其中一种类型的光生载流子注入到深耗尽层，形成的电荷包作为信息载体，通过容性耦合横向转移读出；另一种类型的光生载流子通过桥接纳米线阵列(8)被抽取暂存在空间电荷限制电流机制的忆阻层，其形成的高电势，镜像感应于介质层之上，作为能量载体，来参与驱动电荷耦合转移。

2、本发明器件结构如下：

3、在n型si衬底(1)上有一层p型si埋层(2)，在p型si埋层(2)的一侧上表面设计一层zno层(3)，在zno层(3)上为azo透明电极(4)，由zno层(3)、azo透明电极(4)自下而上从而形成器件结构1；

4、与器件结构1相邻，在p型si埋层(2)上的另一侧上表面设计一层sio2介质层(5)，在sio2介质层(5)上为ga2o3层(6)，在ga2o3层(6)上为ti/au电极(7)，由sio2介质层(5)、ga2o3层(6)、ti/au电极(7)自下而上从而形成器件结构2；

5、zno层(3)的厚度大于ga2o3层(6)的厚度，zno层(3)和ga2o3层(6)之间有空隙间隔，zno层(3)和ga2o3层(6)之间采用桥接纳米线阵列(8)连接。

6、器件结构1和器件结构2之间形成锯齿电极结构。

7、sio2层(5)与zno层(3)之间相邻接触，sio2介质层(5)作为寄存单元的介质层。在sio2层上的ga2o3层(6)是一层掺cr的ga2o3忆阻层。zno层(3)和ga2o3层(6)之间有空隙间隔最短即锯齿电极之间的最短距离为2-5微米，zno层(3)和ga2o3层(6)之间通过水热法生长的桥接纳米线阵列结构(8)进行连接。所述的纳米线为zno纳米线。

8、锯齿电极结构可通过局部电场增强作用，获得高漂移速度的边缘场，使得能量载体电荷自主的参与驱动信息载体电荷包，进行高效率的电荷方向性转移。

9、ga2o3层作为忆阻层用来俘获由zno层(3)与p型si埋层(2)间形成的异质结内建电场分开的一种类型的非平衡载流子；载流子进入ga2o3忆阻层后，会落入ga2o3内部的陷阱中，而落入陷阱的载流子由于未受到激发，所以不会被复合消失掉，因此该部分载流子会在ga2o3暂存，暂存的光生电荷镜像感应于寄存单元介质层之上，作为能量载体，自主参与驱动电荷耦合转移，具有提高电荷转移效率进而降低电荷耦合图像传感器件动态功耗的作用。

10、zno与ga2o3层之间利用水热法生长纳米线桥接结构，桥接的纳米线结构形成的背对背表面势垒结用来阻止从暂存区被释放的电荷在结束光照后沿异质结返回，使其暂存在ga2o3忆阻层上，来作为能量载体。

11、其中由zno层(3)与p型si埋层(2)间形成的异质结内建电场分开的另一种类型的作为信息载体的光生载流子在si的深耗尽区形成电荷包，在热平衡弛豫的非稳态过程的十几秒时间内，即p型si埋层(2)中的少子到达之前，通过ga2o3忆阻层上能量载体载流子作用，形成信息载体电荷包的耦合转移，以此来形成能量主导信息转移的负熵机制，即使信息载体电荷包进行有序的转移。

12、ti/au电极用于外接电路来对ga2o3忆阻层上的电压变化进行读出。

13、通过能量主导信息转移的负熵机制，利用空间暂存的光生电荷驱动信息电荷包耦合转移进行图像传感,这一器件可使得其中一种类型的紫外光生载流子注入到深耗尽层，形成的电荷包作为信息载体，通过容性耦合横向转移读出；另一种类型的光生载流子被抽取暂存在空间电荷限制电流机制的忆阻层，而后镜像感应于寄存单元介质层之上，作为能量载体，自主参与驱动电荷耦合转移，具有提高电荷转移效率进而降低电荷耦合图像传感器件动态功耗的作用；

14、与已有的紫外传感器不同，一般的自供电紫外探测器往往侧重于器件对紫外光的敏感度，但是这样的器件并不适用于对紫外线剂量的监控，即器件并不存在对光生电荷进行短期存储的作用，该器件的优点在于：

15、1、本发明是一种依靠电荷数量状态变化传递信息的新方法，该器件可以同时利用光生载流子的能量属性和信息属性。通过电荷的存储引入反馈机制，形成降低传感器熵增的负熵效应，从而充分利用了入射光能。器件中生成的光生载流子既可以用作信息传递，又具备能量属性来驱动电荷包的转移以及短期存储，这使器件具有高的电荷转移效率，并且还可以降低电荷耦合中的动态功耗。

16、2、存在负熵效应意味着系统易于出现自发的过程，因此，这种新的电荷存储控制机制的器件有利于传感器向着自组织性转化，有利于传感器根据确定性事件所在的位置，进行能源的调集，进而引发信息的二次流动，从而在硬件层面上进行决策分析，实现自主学习。能量主导信息转移的负熵机制，有利于信息借助能量流被记忆和重构，对未来构建具有自主学习能力的图像感知器件产生重要作用。