使用相变材料的光电器件
阅读：793发布：2021-06-08
专利汇可以提供使用相变材料的光电器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于检测光的装置(200)，包括检测器(100)和读出 电路 (150)。检测器(100)包括： 基板 (10)、由基板(10) 支撑 的 相变 材料 层(16)、与 相变材料 层(16)电 接触 的第一 电极 (14)、以及与相变材料层(16)电接触的第二电极(18)。第一电极和第二电极(14、18)可操作以通过由于第一电极与第二电极(14、18)之间的偏置 电压 使 电流 穿过相变材料而偏置相变材料(16)。读出电路(15)被配置为：通过在第一电极与第二电极(14、18)之间施加偏置电压而偏置相变材料层(16)；通过检测由于相变材料层(16)中的相变而导致的相变材料层(16)的 电阻 改变来检测入射到相变材料(16)上的光；在相变材料层(16)中的相变之后，通过经由第一电极和第二电极(14、18)施加重置脉冲来重置相变材料层(16)。，下面是使用相变材料的光电器件专利的具体信息内容。
1.一种用于检测光的装置，包括检测器和读出电路，其中，所述检测器包括：
基板、由所述基板支撑的相变材料层、与所述相变材料层电接触的第一电极、以及与所述相变材料层电接触的第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极能操作以通过由于所述第一电极与所述第二电极之间的偏置电压使电流穿过所述相变材料而偏置所述相变材料；
并且所述读出电路被配置为：
通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加偏置电压而偏置所述相变材料层；
通过检测由于所述相变材料层中的相变而导致的所述相变材料层的电阻改变来检测入射到所述相变材料上的光；
在所述相变材料层中发生相变之后，通过经由所述第一电极和所述第二电极施加重置脉冲来重置所述相变材料层。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述相变材料层的下方和上方，所述第一电极与所述相变材料层的下表面电接触，并且所述第二电极与所述相变材料层的上表面电接触。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述检测器包括镜层，所述镜层被布置为反射光通过所述相变材料层，以便增加所述检测器对入射光的吸光度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述检测器被配置为充当谐振光腔，以便最大化所述检测器对选定波长的光的吸光度。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述选定波长在400nm至700nm的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一电极和所述第二电极包括至少部分透明的导电材料。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一电极和所述第二电极包括氧化铟锡、石墨烯、多层石墨烯、石墨、金、或PEDOT。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述相变材料包括选自以下组合的列表的元素的组合的化合物或合金：GeSbTe，VOx，NbOx，GeTe，GeSb，GaSb，AgInSbTe，InSb，InSbTe，InSe，SbTe，TeGeSbS，AgSbSe，SbSe，GeSbMnSn，AgSbTe，AuSbTe，以及AlSb。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述读出电路能在计数速率模式下操作，在所述计数速率模式下，由所述读出电路重置所述检测器的速率推断所述检测器上的光通量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述读出电路能在子阈值模式下操作，在所述子阈值模式下，由处于非晶态的相变材料的电阻推断所述检测器上的光通量。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述读出电路被配置为调整所述偏置电压以改变所述检测器的灵敏度和/或动态范围。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述读出电路被配置为调整所述偏置电压以响应于所述检测器的重置计数速率而改变器件的灵敏度。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述读出电路被配置为响应于重置事件调整所述偏置电压以改变所述检测器的动态范围，从而改变入射到所述检测器上的引起所述相变材料层中的相变所需的光量。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述检测器包括多个像素，每一个像素包括：
相变材料层、与所述相变材料层电接触的第一电极、以及与所述相变材料层电接触的第二电极，其中，针对每一个像素，所述第一电极和所述第二电极能操作以通过由于所述第一电极与所述第二电极之间的偏置电压使电流穿过所述相变材料而偏置所述相变材料，使得每一个像素单独对光做出响应；并且
其中，所述读出电路被配置为，针对每一个像素：
通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加偏置电压而偏置所述相变材料层；
通过检测由于所述相变材料层中的相变而导致的所述相变材料层的电阻改变来检测入射到所述相变材料上的光；
在所述相变材料层中发生相变之后，通过经由所述第一电极偏置和所述第二电极偏置施加重置脉冲来重置所述相变材料层。
15.一种检测入射到检测器上的辐射的方法，所述检测器包括：相变材料层、与所述相变材料层电接触的第一电极、以及与所述相变材料层电接触的第二电极，所述方法包括：
通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加偏置电压来偏置所述相变材料；
通过检测由于所述相变材料层中的相变而导致的所述相变材料层的电阻改变来检测入射到所述相变材料上的光；
在所述相变材料层中发生相变之后，通过经由所述第一电极和所述第二电极施加重置脉冲来重置所述相变材料层。
16.根据权利要求15所述的方法，包括使用根据权利要求1至14中任一项所述的装置。
使用相变材料的光电器件
技术领域
背景技术
[0002] 光灵敏度高并且尺寸缩小的廉价光学传感器的发展受到它们对医疗器械到消费电子产品的广泛应用范围的积极影响的推动。在可见近红外(IR)光谱范围内在室温下下操作的市售光学传感器通常基于诸如硅(Si)和铟砷化镓(InGaAs)的半导体材料。现今通常在手机相机和网络相机中使用的图像传感器基于使用CMOS技术制造的Si有源像素传感器阵列。这种传感器提供高光灵敏度但是制造成本昂贵，动态范围有限并且不容易在尺寸上按比例缩小。在响应于可见光近IR光的大多数传统的基于半导体的光学传感器，光响应源于器件的端子之间存在的电场中的光激励载流子(光载流子)的分离和漂移。电场为以下各项中的任一者：诸如在p-n结处存在的内部/内置电场；诸如通过施加的偏压产生的外电场；或二者的结合。因而，对于给定的入射光功率，光响应很大程度上由管理光载流子的产生和漂移的材料特定性能(诸如，光学吸收和载流子迁移率)决定。这些性能是固定的。动态范围(即，器件可操作的光功率的有效范围)还受材料特定性能限制，意味着典型的光学器件在固定的且相对低的光水平下饱和。相比之下，人眼具有宽动态范围，因为人眼可以适应于经由围绕瞳孔的收缩结构改变光强度的水平。
[0003] 期望可替代的光电器件和光电检测方法，优选地，具有对光水平的提高的适应性。
发明内容
[0004] 根据第一方面，提供一种用于检测光的装置，包括检测器和读出电路。检测器包括：基板、由基板支撑的相变材料层、与相变材料层电接触的第一电极、以及与相变材料层电接触的第二电极第一电极和第二电极能操作以通过由于第一电极与第二电极之间的偏置电压使电流穿过相变材料而偏置相变材料。读出电路被配置为：
[0005] 通过在第一电极与第二电极之间施加偏置电压而偏置相变材料；
[0006] 通过检测由于相变材料层中的相变而导致的相变材料层的电阻改变来检测入射到相变材料上的光；并且
[0007] 在相变材料层中的相变之后，通过经由第一电极和第二电极施加重置脉冲来重置相变材料层。
[0009] 检测电阻的改变可以包括检测由于偏置电压而引起的流过相变材料的电流的改变。
[0010] 第一和第二电极可以分别布置在相变材料层的下方和上方。第一电极可以与相变材料层的下表面电接触，并且第二电极可以与相变材料层的上表面电接触。
[0011] 检测器可以包括镜层，该镜层被布置为反射光通过相变材料层，以便增加检测器对入射光的吸光度。
[0013] 选定波长可以在400nm至700nm的范围内。
[0014] 第一和第二电极可以包括至少部分透明的导电材料。
[0016] 相变材料可以包括选自以下组合的列表的元素的组合的化合物或合金：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe、及AlSb。
[0017] 读出电路可在计数速率模式下操作，在计数速率模式下，由读出电路重置检测器的速率推断检测器上的光通量。
[0018] 读出电路可在子阈值模式下操作，在子阈值模式下，由处于非晶态的相变材料的电阻推断出检测器上的光通量。
[0019] 读出电路可以被配置为调整偏置电压以改变检测器的灵敏度和/或动态范围。
[0020] 读出电路可以被配置为调整偏置电压以响应于检测器的重置计数速率而改变器件的灵敏度。
[0021] 读出电路可以被配置为响应于重置事件调整偏置电压以改变检测器的动态范围，从而改变入射到检测器上的引起相变材料层中的相变所需的光量。
[0022] 检测器可以包括多个像素，每一个像素包括：
[0023] 相变材料层、与相变材料层电接触的第一电极、以及与相变材料层电接触的第二电极，其中，针对每一个像素，第一电极和第二电极能操作以通过由于第一电极与第二电极之间的偏置电压使电流穿过相变材料而偏置相变材料，使得每一个像素单独对光做出响应；并且
[0024] 其中，读出电路被配置为，针对每一个像素：
[0025] 通过在第一电极与第二电极之间施加偏置电压而偏置相变材料层；
[0026] 通过检测由于相变材料层中的相变而导致的相变材料层的电阻改变来检测入射到相变材料上的光；
[0027] 在相变材料层中的相变之后，通过经由第一电极偏置和第二电极偏置施加重置脉冲来重置相变材料层。
[0028] 根据第二方面，提供一种检测入射到检测器上的辐射的方法，该检测器包括：相变材料层、与相变材料层电接触的第一电极、以及与相变材料层电接触的第二电极，该方法包括：
[0029] 通过在第一电极与第二电极之间施加偏置电压来偏置相变材料；
[0030] 通过检测由于相变材料层中的相变而导致的相变材料层的电阻改变来检测入射到相变材料上的光；
[0031] 在相变材料层中的相变之后，通过经由第一电极和第二电极施加重置脉冲来重置相变材料层。
[0032] 该方法可以使用根据第一方面的装置执行，包括任意组合的其任选特征中任一项。
[0033] 一般地说，在本发明的不同方面和实施方式的上下文中描述的特征可以一起使用和/或可互换使用。相似地，为简便起见，在单个实施方式的上下文中描述特征的情况下，这些特征也可单独地或者以任何适合的子组合来提供。结合器件描述的特征可具有可相对于方法定义的相应特征并且这些实施方式是可具体设想的。附图说明
[0034] 为了可以很好地理解本发明，下面将仅参考附图通过举例的方式讨论实施方式，在附图中：
[0035] 图1是薄膜器件的示意性顶视图和层结构的横截面；
[0036] 图2是根据实施方式的装置的示意图；
[0037] 图3是示出在黑暗中测量的在实施方式中使用的非晶态的检测器的电流-电压特性的曲线图；
[0038] 图4是示出了当PCM处于非晶态时电流作为入射光功率(在632nm处)的函数的曲线图；
[0039] 图5是示出了当PCM处于结晶态时电流作为入射光功率(在632nm处)的函数的曲线图；
[0041] 图7是示出根据实施方式的方法的流程图；
[0042] 图8是示出对相变材料进行的相变的重复循环的曲线图；以及
具体实施方式
[0044] 在过去的十几年中，例如，在电子存储器的背景下，相变材料(PCM)已经成为活跃的研究与开发的主题。
[0045] PCM的电特性和光特性在晶相与非晶相之间可能表现出高的对比度。具体地，PCM(例如，硫族化物类PCM，诸如，GST)可具有响应于适当的热刺激(导致结晶化)或熔融淬火工艺(导致非晶化)在这两种状态之间进行切换的能力。在结晶温度TC下发生相变。最初，在低于TC的温度下，PCM可以处于非晶态。当加热至高于TC的温度时，PCM转换至结晶态，并且当其冷却回到低于TC时保持在结晶态。通过将PCM加热到熔点TM以上，然后迅速冷却回到TC以下，可以将PCM“重置”回到非晶态。
[0046] 这些PCM(包括碲化物和锑化物)可在次纳秒时间尺度上切换，具有高再现性，其使用当代材料能够在高达1012的切换周期内实现超快速操作。新型的和改进的PCM材料(诸如，所谓的相变超晶格材料)有望在未来提供更好的性能。
[0047] 除导电率的改变之外，许多PCM在可见光中还表现出折射率的显著变化(光学反射/射率)，而在近红外波长范围中变化更大。具体地，非晶态可具有低导电率和低反射率，并且结晶态可具有相对高的导电率和高反射率。
[0048] 图1示出适合用于本发明的实施方式的检测器100。检测器100包括沉积到基板10上的层堆叠20。层堆叠20包括在彼此顶部堆叠的多个层。每个层均可以包括不同的材料，或者两个或更多个层可以包括基本相同的材料。层堆叠20包括夹在第一电极14与第二电极18之间的一层PCM 16。层堆叠20还可以包括镜层12。镜层12可以置于第一电极12与基板10之间。
[0049] 尽管该器件采用竖直结构，其中第一电极14为下电极，并且第二电极18为上电极，并且PCM层夹在下电极14与上电极18之间，其他实施方式可以采用横向结构，该横向结构包括被配置为使电流横向通过PCM层的电极。这种横向电极可以从单层开始图案化，和/或可以仅与PCM层的一侧电接触。在其他实施方式中，横向电极可以与PCM层的两侧接触。
[0050] 检测器可以包括另一封装层(未示出)，其可以包括氧化物或聚合物例如以保护层堆叠20免于劣化。
[0051] 将理解，诸如“上”和“下”的术语的使用并不限制使用中的检测器100的方位，并且在相对的意义上使用。
[0052] 基板10在可见光谱中可基本不透光并且能吸收光。可替换地，基板10在可见光谱中可以是大致透光的。在基板10在可见光谱中大致透光的情况下，镜层12可以定位为允许从后侧(通过基板10)照射PCM层16。例如，在竖直器件的情况下，镜层12可以位于上电极18的上方。
[0053] 在下面描述的示例性实施方式中，PCM 16是经过充分研究的锗锑碲(GST)化合物或合金Ge2Sb2Te5，因为它被证实的化学和固态稳定性低至纳米级尺寸，并且具有器件微型化的潜力。GST具有TC～150℃和TM～600℃。
[0054] 在其他实施方式中，PCM 16可以是或者包括包含选自以下组合的列表的元素的组合的化合物或合金的材料：GeSbTe，VOx，NbOx，GeTe，GeSb，GaSb，AgInSbTe，InSb，InSbTe，InSe，SbTe，TeGeSbS，AgSbSe，SbSe，GeSbMnSn，AgSbTe，AuSbTe，以及AlSb。PCM可以掺杂有任何元素(例如，C，Ni，Ce，Si等)。
[0055] PCM层16可具有在10nm至50nm的范围内的厚度。在其他实施方式中，PCM层16可具有在10nm至20nm、20nm至30nm、30nm至40nm、或40nm至50nm的范围内的厚度。
[0056] PCM层16可具有小于1微秒或者优选地小于1纳秒的切换时间。PCM层16可具有小于200℃的并且优选地小于150℃的TC。PCM层16可具有以TM与TC之间的大差异为特征的高相稳定性。PCM层16可具有在100至200℃、200至300℃、300至400℃、或400至500℃的范围内的TM-TC值或者大于500℃的TM-TC值。
[0057] 上电极18和下电极14包括导电材料。在实施方式中，电极14、18可具有大于1x103 S/cm的电导率。在其他实施方式中，电极14、18可具有大于1x102 S/cm或10S/cm的电导率。
[0058] 上电极18和/或下电极14在可见光谱中至少部分透明。在实施方式中，上电极18和下电极14在可见光谱(例如，400nm至700nm)中具有至少50％的透射率，或者至少50％的平均透射率。在其他实施方式中，电极14、18具有至少60％、70％、80％或90％的最小透射率。
[0059] 上电极18和/或下电极14可以是或可以包括金属、金属合金、半金属、半金属合金、半导体、半导体化合物、氧化物或聚合物。上电极18和下电极14的合适材料可包括但不限于：氧化铟锡(ITO)、石墨烯、多层石墨烯、石墨、金、PEDOT(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯)
[0060] 上电极18和下电极14可以不包括相同的材料或者相同的电/光特性。
[0061] 在下面描述的示例性实施方式中，使用ITO是因为其容易制造以及良好控制的光特性和电特性。
[0062] 上电极18和/或下电极14可具有在10nm至50nm的范围内的厚度。上电极18和下电极14的厚度可以不相同。在其他实施方式中，上电极18和/或下电极14可具有在10nm至20nm、20nm至30nm、30nm至40nm、或40nm至50nm的范围内的厚度。
[0063] 镜层12在可见光谱中可具有大于90％的反射率。在另一个实施方式中，镜层在可见光谱至可具有大于85％、80％或75％的反射率。镜层可以是或者可以包括不吸收感兴趣的波长范围内的光的材料。在实施方式中，镜层可以是或者可以包括金属层。例如，镜层12可以是或者可以包括铝。
[0064] 检测器100的层堆叠20包括在彼此顶部堆叠的多个部分透明的薄膜(14、16、18)和基板10。层堆叠可以是或者可能不包括镜层12。层堆叠20可以被设计成针对可见光谱中的特定波长在PCM层16中提供最大(增强)光学吸收，而针对其他可见光谱在PCM层16中提供最小光学吸收。这可以通过利用例如薄膜干涉效应来实现，薄膜干涉效应可以使用熟知的技术模拟，例如，使用可商购的软件，诸如，COMSOL Multiphysics。因此，检测器100可以被配置为是波长可选择的，使得其仅在某些波长下操作。在本文中示出结果的检测器100中，对于15nm厚的GST层16，在632nm的波长处获得40-55％的吸收，其中层堆叠20在300nm/10μm厚的SiO2/Si基板10的上部具有20nm厚的ITO层18、15nm厚的GST层16和20nm厚的ITO层14。由于光响应与光学吸收成比例，所以层堆叠20可以提供在该波长下的波长选择性和增强的光响应两者。
[0065] 检测器100可以使用本领域已知的多个处理步骤制造。PCM层16和/或电极14、18可以利用任何合适的技术沉积，例如使用物理或化学方法，诸如，热蒸发、电子束蒸发、溅射、化学气相沉积、原子层沉积等，取决于所需的材料。在以下的示例性实施方式中，RF溅射用于沉积PCM层16和电极14、18。
[0066] 检测器可以使用“自下而上”的方法制造，其中PCM层16和/或电极14、18通过沉积和剥离工艺限定。可替换地，检测器100可以使用“自上而下”的方法制造，其中PCM层16和/或电极14、18通过沉积和减少蚀刻工艺限定。检测器制造可能涉及剥离和蚀刻工艺的组合。检测器制造可能涉及光刻和/或电子束光刻步骤。制造过程的特征和步骤仅是示例性的，并且实施方式可以其他方式制造。
[0067] 上电极18和下电极14分别提供与PCM层16的上侧及下侧的电接触。在实施方式中，上电极和下电极可以以低接触电阻提供与PCM层16的欧姆接触。在实施方式中，接触电阻可以小于1x 10-3Ωcm2。在其他实施方式中，接触电阻可以小于1x 10-4Ωcm2、1x 10-5Ωcm2、1x 10-6Ωcm2、1x 10-7Ωcm2或1x 10-8Ωcm2。
[0068] 上电极18和下电极14进一步被配置为连接到读出电路150，如参考图2更加全面地说明的。
[0069] 图2示出了用于根据实施方式检测光的装置200，包括检测器100和读出电路150。
[0070] 检测器100参考图1进行描述。读出电路150包括电压源，其示意性地示出为电池。电压源可以是可编程电压源，或者可以提供附加的控制元件，附加的控制元件可操作以经由第一和第二电极14、18改变施加至PCM层16的偏置电压VB。电压源电连接至第一和第二电极14、18。读出电路150还包括检流器A，该检流器用于监测由于施加的偏置电压而流过PCM层16的电流量。电压检测器V还可以设置为用于监测偏置电压。
[0071] 电压源可以包括低噪声DC电源(诸如，电池)。可替换地，电压可以从AC电源获得。电流可以通过任何合适的方式监测，诸如使用当前预放大器或测量已知电阻的串联电阻器两端的电压。在使用AC电源的情况下，可以使用已知相位灵敏的检测技术(诸如，锁相放大器)测量AC电流或电压。
[0073] 当检测器100暴露于光通量32时，入射光在PCM层16中被吸收。光载流子的产生可以增加PCM层16的电导率，和/或可以仅加热PCM层16。当恒定偏置电压施加至PCM层16时，由于入射光通量引起的电导率的改变将导致通过PCM层16的电流增加。
[0074] 在第一读出模式(计数速率模式)中，读出电路150被配置为向最初为非晶态的PCM层16施加相对高的偏置电压，使得PCM层16上相对少量的入射光将导致温度升高超出Tc，从而导致PCM层16到结晶态的相变。利用足够高的偏置电压，可以使检测器100对入射光非常敏感。较低的偏置电压将意味着每个重置事件对应于更高的光通量。相变将导致PCM层16的电阻率降低，从而导致电流增加，读出电路被配置为检测该电流增加。读出电路150随后通过非晶化PCM层16重置检测器100，这可能会非常迅速发生(例如，小于1ms、100μs、10μs、或1μs)。检测器100然后准备好被另一入射光脉冲结晶化。
[0075] 重置事件的速率是入射到检测器100上的光32的强度的度量。由于检测器100的灵敏度取决于所施加的偏置电压VB，因此可以例如响应于重置事件的速率动态地调整检测器100的灵敏度。读出电路150可以被配置为根据与计数速率(例如，在数学表达式或查询表中定义的)的预定关系改变偏置电压。较高速率的重置事件可能导致减小的偏置电压，而较低速率的重置事件可能导致增大的偏置电压。
[0076] 在第二读出模式(子阈值模式)中，读出电路150可以被配置为基于在相变之前PCM层的电阻的改变检测入射到检测器上的光。在该子阈值读出模式下，当异常高速率的光通量入射到器件上时，可能发生检测器重置。
[0077] PCM层16在结晶态(与非晶态相比较)可具有不同的光特性，这可能导致相变之后检测器100吸收的波长改变。
[0078] 由于阈值切换机制(蒲尔-弗朗克效应)，PCM(非晶态和结晶态)的电流-电压(或IV)特性通常可以分割为两个部分：在低偏置电压处为欧姆电流，在高偏置电压处为非线性电流。图3示出了在黑暗中测量的处于非晶态的检测器100的DC IV特性。在非晶态中，检测器100的特征通常在于具有数十兆欧量级的高电阻(R)。相比之下，在结晶态中，检测器100的特征在于具有数百千欧姆(未示出)量级的相对低电阻。
[0079] 图4和图5示出当分别处于非晶态和结晶态时在1.4V的偏置电压下作为在632nm处的入射光功率的函数的在检测器100中的测量电流。层堆叠20设计成在632nm处的PCM层16中提供40％的吸收。数据示出随光通量的增加而增加电流的总趋势。随着增加光通量导致的电阻的改变可归因于PCM层的电阻率的负温度系数和/或PCM层的光电导响应。由于增加的电导率，在结晶态中，在零入射功率下的电流更大。
[0080] 除了改变周围环境的温度以外，可以通过电气和光学机制改变PCM层16的温度。
[0081] 当检测器100被电气偏置时，检测器中的功率消耗(与I2R成比例)通过焦耳加热而增加了检测器100的层的温度。由于相比于电极14、18，PCM层16的电阻相对高，所以大部分功率在PCM层16中耗散。因而，PCM层16加热至高于电极层14、18。
[0082] 此外，用可见光谱中的光对检测器100的光激发在PCM层16中产生最初具有高能量的光载流子。光载流子经由与声子交互进行快速能量弛豫，声子将能量传递至晶格并且使PCM层16的温度升高。
[0083] 这些机制中的任一机制均可以足以将检测器100从非晶态切换至结晶态。根据本发明的检测器100可以使用这两种机制进行运转。
[0084] 图6示出了在532nm的恒定光激发下以1592mW/cm2的功率密度测量的检测器100的电流-电压扫描。在测量之前，PCM处于非晶态。电压从0V扫描到4V然后回到0V。由于达到了电流测量装置的兼容性极限(电流被限制为最大5μA)，因此在5μA处明显截断。检测器100表现出从非晶态至结晶态的清除切换事件，这通过滞后行为得到证实。如在图3和图4中所示，2
无论在1592mW/cm的光激发还是上达4V的偏压都不足以引起相变。这表明了在切换PCM 16时光和电流的组合作用。提供接近4V的偏置电压将意味着相对较小的入射光通量将导致PCM的相变。
无论在1592mW/cm的光激发还是上达4V的偏压都不足以引起相变。这表明了在切换PCM 16时光和电流的组合作用。提供接近4V的偏置电压将意味着相对较小的入射光通量将导致PCM的相变。
[0085] 如在图6中所示，当在非晶态下被照射时，检测器100在超出检测器100从非晶态切换至结晶态的切换(阈值)电压VT前后表现出强非线性。在超过VT之后，当电压减小时，检测器100保持在结晶态。
[0086] 在使用中，检测器100可以被偏置到恰好在VT的非线性切换区域的电压或之下。位于层堆叠20已优化的波长或该波长附近的光激发增加流过检测器100的电流(通过负TCR结合由于光吸收引起的温度上升的效应，和/或通过光电导效应)。这在PCM 16中引起相位切换事件，该相位切换事件由所测量的电流或电导峰值的跳跃所表现。光激发增加了电流，该电流从而引起PCM 16中的相变，这进一步增加电流。由相变引起的电流的改变可以仅大于处于非晶态的TCR/光电导响应。
[0087] 可以通过调整所施加的偏置电压VB的值来控制引发切换事件所需要的光量或光通量。偏置电压距(下低于)VT越远，切换检测器100需要的光通量越多。相反，为了更高的灵敏度，可以施加接近VT的电偏压。以此方式，可以调节/控制检测器100的灵敏度或检测器100可感测到的光功率的范围。
[0089] 图7中示出操作检测器100的方法。在步骤S1中，向检测器施加偏压。在步骤S2中，测量电流和/或电压。在步骤S3中，将所测量电流值与预定阈值相比较。当所测量电流值小于阈值，在步骤S4中，过程回到步骤S2。当所测量电流超过阈值，在步骤S4中，可以发起“重置”过程(步骤S5)，以将PCM 16转变回到非晶态。在重置之后，在步骤S6中，可以例如基于检测到的重置计数速率来改变偏置电压以(如上文已讨论的)调节引起切换或者达到阈值电流所需的光功率。然后在步骤S2中再次对电流进行测量并且过程继续。以此方式，当处于非晶态时，检测器100可以继续起作用以捕获有关入射光的强度的信息。
[0090] 重置过程可以被电驱动。例如，可以在短时间段内向检测器100施加十分大的电流以将PCM 16加热到TM以上并且允许材料冷却回到非晶态。
[0091] 图8示出在检测器100已在非晶态(高电阻)与结晶态(低电阻)之间电驱动的整段时间进行的多个“重置”周期。重置周期对于在光学测量开始之前调节和/或稳定检测器可能是有利的/有必要的。
[0092] 检测器100的垂直叠层布置可以减少光载流子通过PCM 16的传输长度，并且还可以减少光载流子的通行时间，即，光载流子(以漂移速度行进)穿过PCM 16所花费的时间。这可以通过提供光学增益增强光响应，由此光载流子在重组之前可以多次穿过检测器100。
[0093] 将理解的是，由于层堆叠20被设计成吸收可见光谱中特定波长或感兴趣的波长范围，所以对于在特定范围之外的波长，检测器将不会如预期的那样操作。换言之，层堆叠20用作滤色器。例如，如果检测器100被设计成检测红光，其将不检测绿光或者蓝光。检测器100的波长选择性和可扩展性意味着它们很适合用于图像传感器阵列以捕获具有颜色信息的2D图像。可控动态增益可特别适于光能级变化的应用。应用可包括人造视网膜。
[0094] 图像传感器通常在像素传感器阵列上使用滤色器阵列以过滤由像素传感器检测到的光的波长。常见的实例是给出有关红色、绿色及蓝色(RGB)波长的强度的信息的拜耳滤波器。RGB数据可以利用适当的去马赛克算法转换为全色图像。由于检测器100可以包括滤色器，因此可以使用针对每个特定颜色设计的检测器100的阵列而无需滤色器阵列。
[0095] 已描述了在混合模式的光电配置中操作的装置200。装置200在固有负反馈环路中操作，其中检测器的电率导通过光输入通量调制，并且输出电流信号用作自调制的触发器。这本质上复制了人眼的功能，其中碰触视网膜的光量由围绕瞳孔的可收缩结构控制。检测器100非常快速、稳健、灵敏并且具有波长选择性。此外，检测器100可容易在尺寸上按比例缩小，能够达到很高的检测器密度，从而实现高空间图象分辨率。此外，与普遍使用的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)CCD图像传感器不同，检测器100能量低廉、它们的构造与操作相对简单并且制作成本低。
[0097] 尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，但是应该理解，本发明的公开的范围还包括任何新特征、本文明显或隐含公开的特征的任何新组合、或其任何衍生物，而不论它们所涉及的发明是与任何权利要求中当前要求保护的发明相同，也不论它们是否解决了与本发明解决的技术问题相同的任何或所有技术问题。
[0098] 在单个实施方式的上下文中描述的特征还可以在单个实施方式中组合提供。相反，为简便起见，在单个实施方式的上下文中描述的各个特征也可单独地或者以任何适合的子组合来提供。
[0099] 为了完整性起见，还应注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个，并且权利要求中的任何参考符号将不会解释为限制权利要求的范围。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 超薄薄膜光学干涉滤光片 | 2020-05-08 | 229 |
| 一种光能美白梭织提花布的制造方法 | 2020-05-11 | 447 |
| 一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器 | 2020-05-11 | 30 |
| 具有LED测试点的LED晶圆及转移方法 | 2020-05-08 | 238 |
| 晶片生成装置 | 2020-05-08 | 479 |
| 一种波长调制情况下的二极管激光器动态波长测量装置及方法 | 2020-05-11 | 684 |
| 一种绿光发射荧光材料 | 2020-05-11 | 662 |
| 一种基于亚波长光栅跑道型微环谐振器折射率传感器 | 2020-05-08 | 296 |
| 一种防蓝光镜片的制备方法 | 2020-05-11 | 825 |
| 一种具有保护层的光学薄膜、纳米结构色晶体及制备方法 | 2020-05-08 | 671 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈