【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电晶体管、图像传感器、电荷耦合器件，涉及光电晶体管结构，尤其涉及一种电偶极驱动光电晶体管。
技术介绍
0、技术背景
1、由于机器视觉成像在安全系统、医疗、军事和地面信息等成像领域的广泛应用，过去十年对机器视觉成像的需求呈指数级增长；电荷耦合器件(ccd)成像技术得到快速发展。ccd图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，信号电流再经过放大和模数转换，就可以实现图像的获取、传输和处理。作为光电探测器，ccd图像阵列系统被应用于相机、扫描仪等设备的感光组件，具有良好的感光效率和成像品质。但受限于硅禁带宽度的影响，传统的ccd光谱探测范围被限制在可见光波段，而且常规ccd器件使用sio2作为栅极氧化物介电层，其介电常数低，需要施加较高的电压才能使ccd器件工作。常规的ccd器件需要栅电极和电荷读出电极(源电极和漏电极)，制备工艺复杂、且施加栅电压导致能量消耗。
2、新型二维层状材料如石墨烯、过渡金属硫族化合物等是二维平面晶体薄膜、厚度可低及原子层厚度，具有优异的力、热、光、电等性能，具有可调谐的禁带宽度及光谱响应。与常规的硅等半导体结合，制备器件工艺简单。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种电偶极驱动光电晶体管，本专利技术的光电晶体管具有电荷读出电极(源电极和漏电极)，但不需要栅电极；本专利技术采用具有极化效应的高介电常数电介质材料作为电荷极化绝缘层，能够在电荷极化绝缘层的两表面积累相反电荷，从而形成电偶极子。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的电偶极驱动光电晶体管。一种电偶极驱动光电晶体管，依次设有半导体层、电荷极化绝缘层和二维层状材料沟道层，以及与沟道接触的源电极和漏电极。
3、进一步，所述的半导体层包括si、ge、ingaas、inas、gaas、inn、gan等中的一种或以上的复合材料。
4、优选地，所述的半导体层选用si材料，其的电阻率在0.1～600ω·cm；其它半导体材料的电阻率依据实际情况而定，这决定于耗尽区的宽度及静电场的强度。
5、进一步，所述的电荷极化绝缘层为具有高介电常数的hfo2、hf(1-x)zrxo2(hzo)、al2o3、tio2、zro2、ta2o5、bi2seo5、p(vdf-trfe)中的一种或以上的复合材料，其中1>x>0。
6、优选地，所述的电荷极化绝缘层的厚度为5nm–30nm。
7、进一步，所述的二维层状材料沟道层包括石墨烯薄膜、过渡金属硫族化合物薄膜如mos2、ptse2、pdte2等，但不限于此。所述的二维材料由化学气相沉积法制备。
8、优选地，所述的二维层状材料沟道层的二维层状材料的层数为1–6层，即约0.33nm–5.0nm。
9、所述的一种电偶极驱动光电晶体管可以应用于电荷耦合器件、光电探测器。
10、本专利技术提出电偶极驱动光电晶体管工作原理如下：晶体管工作不需要施加栅电压，是一种两端器件，包括以下物理机制：
11、由于半导体表面存在悬挂键以及电荷极化绝缘层材料中的原子向半导体层存在扩散，这样在电荷极化绝缘层表面积累电荷，从而形成电偶极子效应【applied physicsletters 94,132902(2009)；j.appl.phys.110,074115(2011)】。
12、在半导体层与电荷极化绝缘层构成的异质结中，由于两材料层中的载流子浓度存在差异，这样，当这两者接触形成异质结时，存在载流子的扩散，从而形成耗尽区，比如在本专利技术的电荷极化绝缘层/半导体层异质结的半导体一侧会形成耗尽区。
13、(1)在光照过程中，于电荷极化绝缘层/半导体层界面附近的半导体(如si)耗尽区域内产生电子-空穴对；
14、(2)由于电偶极子的存在，在电荷极化绝缘层/半导体层界面，光生电荷(比如空穴)发生定向移动，并在电偶极的一端积累；
15、(3)由于极化和电容效应，电荷极化绝缘层将积累的(空穴)电荷转移至二维层状材料沟道层/电荷极化绝缘层界面附近的电荷极化绝缘层内，诱导出(空穴)电荷层；
16、(4)由静电场效应在二维层状材料沟道层诱导出具有符号相反的电荷(电子)，诱导出的相反电荷增加沟道的载流子浓度和调控二维层状材料的费米能级；即半导体层发生的光响应在沟道中诱导出额外的载流子；
17、(5)沟道电流随沟道载流子浓度的变化而变化，从而输入光信号可以通过读出二维层状材料沟道电流而检测，对光信号进行随机无损读取。
18、简而言之，本专利技术使用电荷极化绝缘层而不需要栅极的两端器件可以将半导体层的光响应通过二维层状材料沟道层的电流信号表现出来，即电荷耦合。而对于常规的如基于sio2绝缘层的器件，则需要施加额外的栅极电压才能将半导体层的光响应现象反映到沟道的电流信号变化。
19、与现有技术相比，本专利技术独特特征在于本专利技术的器件采用具有极化特性的电介质作为电荷极化绝缘层和具有超薄厚度的二维层状材料，这两者协同产生独特不需要施加额外栅压就能工作的效果，实现器件小型化、能耗最低化。采用具有极化特性的电介质作为电荷极化绝缘层，能够在电荷极化绝缘层表面积累符号相反的电荷，从而产生电偶极效应；由于二维层状材料具有超薄厚度(单原子层厚度小于1nm)的特征，其费米能级易被电偶极诱导的载流子调控，也就是即使诱导的载流子浓度很低，沟道材料的费米能级也容易被调控，同时可以实现器件小型化、能耗低等特点。这样，本专利技术器件在有光照的情况下(光伏效应)，在半导体层中产生的光生电荷会在半导体层/电荷极化绝缘层的界面积累，进而在二维层状材料沟道层/电荷极化绝缘层界面诱导出电荷层，最终在二维层状材料沟道层诱导出具有符号相反的电荷，从而调节沟道二维层状材料的费米能级以及沟道的载流子浓度。当然，也可以采用常规的非二维层状半导体材料作为沟道，但是在技术上，难以制备高质量的厚度小于5nm的非二维层状半导体材料，如果使用质量不高的材料作为沟道，器件性能会很差。因此，本专利技术的技术具有以下有益效果：
20、(1)本专利技术不使用常规的sio2，而使用具有极化特性电介质作为电荷极化绝缘层，使得极化材料/半导体的界面可以诱导出电偶极效应。
21、(2)本专利技术的光电晶体管不需要栅极，由光照(耗尽区产生的光伏效应)结合电偶极子效应、电容效应而产生静电光电；本专利技术的器件制备工艺简单、且与cmos工艺兼容。
22、(3)本专利技术技术由于不需要栅极(施加栅压)，从而器件功耗降低，节约能源。
23、(4)由于电荷极化绝缘材料和二维层状材料的特殊性质，器件可以实现小型化，可通过电容性、偶极效应耦合有效收集光生载流子，沟道载流子浓度变化导致沟道电流信号的变化可以直接从单个器件(像素)结构输出，实现随机、无损和高速读出，无需采用传统ccd器件的像素之间横向转移电荷方式，提高了输入光信号检测的响应速度和灵敏度。
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1.一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，依次设有半导体层、电荷极化绝缘层和二维层状材料沟道层，以及与沟道接触的源电极和漏电极。
2.根据权利要求1所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的半导体层包括Si、Ge、InGaAs、InAs、GaAs、InN、GaN中的任意一种或以上的复合材料。。
3.根据权利要求1所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的电荷极化绝缘层为具有高介电常数的HfO2、Hf(1-x)ZrxO2(HZO)、Al2O3、TiO2、ZrO2、Ta2O5、Bi2SeO5、P(VDF-TrFE)中的任意一种或以上的复合材料，其中1>x>0。
4.根据权利要求1所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的二维层状材料沟道层包括石墨烯薄膜和过渡金属硫族化合物薄膜。
5.根据权利要求3所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的电荷极化绝缘层的厚度为5nm–30nm。
6.根据权利要求4所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的二维层状材料的层数为1–6层。>
7.根据权利要求1-6所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的晶体管工作不需要施加栅电压，包括以下物理机制：
8.根据权利要求1-7所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的一种电偶极驱动光电晶体管可以应用于电荷耦合器件、光电探测器。
...【技术特征摘要】
1.一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，依次设有半导体层、电荷极化绝缘层和二维层状材料沟道层，以及与沟道接触的源电极和漏电极。
2.根据权利要求1所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的半导体层包括si、ge、ingaas、inas、gaas、inn、gan中的任意一种或以上的复合材料。。
3.根据权利要求1所述的一种电偶极驱动光电晶体管，其特征在于，所述的电荷极化绝缘层为具有高介电常数的hfo2、hf(1-x)zrxo2(hzo)、al2o3、tio2、zro2、ta2o5、bi2seo5、p(vdf-trfe)中的任意一种或以上的复合材料，其中1>x>0。
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