本發(fā)明涉及類腦器件領(lǐng)域，具體涉及石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、光的偏振態(tài)反映了電磁波電場矢量隨著傳播方向的變化情況，是光的重要矢量特性。當光與物質(zhì)相互作用時，如吸收、反射、散射、透射等，其偏振狀態(tài)會受到物質(zhì)的物理特性影響而發(fā)生改變。這種改變包含了作用對象的介電特性、結(jié)構(gòu)特征、粗糙度、入射角等多種信息。因此，通過檢測光的偏振特性可以進一步獲取被測物質(zhì)的這些物理特性，獲得光強探測難以獲得的信息。人眼不能識別偏振光，只能分辨出光線的亮度和顏色，但許多昆蟲卻因其復(fù)眼中小眼單位對偏振光的高度敏感而能夠有效地探測。有趣的是，這些昆蟲還能通過記憶和學(xué)習(xí)行為來導(dǎo)航、覓偶和選擇產(chǎn)卵場。例如，蜜蜂能夠回憶起覓食和回巢路徑中天空的偏振信息，從而獲取有用的導(dǎo)航信息，使其能夠在多條路徑中迅速找到目標。如果能夠研制兼具偏振光探測和學(xué)習(xí)能力的仿生人工視覺系統(tǒng)，在實現(xiàn)更高效、精準的圖像識別和環(huán)境感知的同時實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的智能處理和分析，將在智能監(jiān)控、自動駕駛、無人機導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)影像診斷等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

2、氧化鎵(β-ga2o3)是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是一種超寬帶隙半導(dǎo)體材料，近年來因其在光電器件中的潛在應(yīng)用而受到關(guān)注。β-ga2o3為高度不對稱的單斜結(jié)構(gòu)，晶胞中g(shù)a有兩種不同的格位o有三種不同的格位，導(dǎo)致了光學(xué)性質(zhì)的各向異性，可用于制備偏振敏感的光電探測器。同時氧化鎵因存在眾多氧空位而具有明顯的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)(ppc)，在合適的工作電壓下通過控制激勵光的開關(guān)時序、寬度或次數(shù)，可以使非晶氧化鎵基光電器件實現(xiàn)類似生物突觸短期突觸可塑性(stp)和長期突觸可塑性(ltp)的功能。

3、β-ga2o3外延薄膜因其低廉的襯底成本和成熟的制備技術(shù)在電力電子器件、氣體傳感器和光電子器件中發(fā)揮著重要作用。目前已經(jīng)在硅基、藍寶石基、氮化鋁基和碳化硅基等襯底底上實現(xiàn)了β-ga2o3薄膜的生長。其中，藍寶石襯底因與β-ga2o3的晶格失配小、透光率高、大尺寸制造成本低而使用最多。但由于底層藍寶石的六重對稱性的影響，導(dǎo)致外延生長的β-ga2o3薄膜中形成六重孿晶，β-ga2o3外延膜展現(xiàn)出各向同性，影響偏振敏感器件的制備。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開了一種基于石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸制備方法，其特點是展現(xiàn)出色的日盲光檢測能力、優(yōu)越的偏振敏感性和引人入勝的感知神經(jīng)形態(tài)行為。該設(shè)備可以模擬一系列偏振敏感的突觸活動和偏振相關(guān)的圖像感知、學(xué)習(xí)和識別，在偏振成像、加密光通信等方面顯示出巨大的潛力。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸，依次包括作為襯底的單晶石英襯底，設(shè)置于單晶石英襯底上的各向異性β-ga2o3外延薄膜層，設(shè)置于β-ga2o3外延薄膜層上的電極ti/au薄膜層。

4、具體地，所述石英襯底、β-ga2o3外延薄膜面積大小對等，其面積均為1.0×1.0～5.0×5.0cm2，所述石英襯底層厚度為1-10μm，所述β-ga2o3薄膜層的厚度為0.1-0.5μm；所述ti/au電極薄膜層厚度為30-80nm。

5、優(yōu)選地，所述的石英襯底為與β-ga2o3各向異性的周期性匹配的m或r面單晶石英襯底。m或r面單晶石英襯底在正交方向可形成了各向異性的擴散勢壘，有利于各向異性外延薄膜的制備，且石英具有較大的熱膨脹系數(shù)，能夠在外延薄膜中產(chǎn)生較大的壓縮應(yīng)力，通過降溫，這種壓縮應(yīng)力會不斷增大，引起外延薄膜各向異性的進一步增強。

6、進一步地，所述β-ga2o3外延薄膜對垂直和平行b軸的偏振紫外光的吸收各向異性比大于1.2，所述β-ga2o3外延薄膜的氧空位濃度為20-65％。

7、進一步地，所述基于石英襯底/進一步地，外延薄膜的偏振敏感光電突觸，其工作波段在200nm-280nm，結(jié)合了日盲(抗強日光干擾)和偏振探測(檢測光的偏振狀態(tài))的特性，能夠分析入射光的偏振狀態(tài)，利用該器件的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，實現(xiàn)類似生物突觸短期突觸可塑性(stp)和長期突觸可塑性(ltp)的功能。

8、本發(fā)明還包括了一種石英襯底/β-ga2o3外延薄膜偏振敏感光電突觸的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

9、步驟一，石英襯底上各向異性β-ga2o3外延薄膜的制備：將金屬鎵源放入反應(yīng)舟內(nèi)，反應(yīng)舟放在石英反應(yīng)管內(nèi)；將清洗、吹干后的石英襯底放在陶瓷舟內(nèi)，放入石英反應(yīng)管內(nèi)；封閉石英反應(yīng)管，打開真空泵對石英管抽真空；當石英管真空度至1pa以下，打開混氣罐閥門，讓惰性氣體通入石英管內(nèi)；加熱石英管內(nèi)的反應(yīng)舟和襯底；當溫度升至設(shè)置溫度后，打開氧氣閥門，調(diào)節(jié)氧氣流量，讓氧氣通入石英管內(nèi)參與反應(yīng)；打開射頻電源，設(shè)置射頻功率和生長時間，在襯底上沉積氧化鎵薄膜，完成β-ga2o3薄膜制備；

10、步驟二，β-ga2o3外延薄膜進行表面等離子處理：將制備的β-ga2o3外延薄膜放入石英反應(yīng)管內(nèi)；封閉石英反應(yīng)管，打開真空泵對石英管抽真空；當石英管真空度至1pa以下，打開混氣罐閥門，讓氮氣通入石英管內(nèi)；打開射頻電源，設(shè)置射頻功率和處理時間；

11、步驟三，偏振敏感光電突觸制備：利用掩膜版并通過射頻磁控濺射技術(shù)在β-ga2o3薄膜上方沉積一層ti/au作為測量電極，完成基于石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸的制備。

12、作為優(yōu)選，所述石英襯底/β-ga2o3薄膜制備溫度為800-1000℃，加熱時間為0.5-2小時。

13、更為優(yōu)選地，等離子處理的氣體流量為80-150sccm，等離子處理的射頻功率和時間分別為100-200w和60-120分鐘。

14、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：

15、1、本發(fā)明加速了襯底和外延材料關(guān)系的理解，m石英在正交方向可形成了各向異性的擴散勢壘，有利于各向異性β-ga2o3外延薄膜的制備；此外，石英具有較大的熱膨脹系數(shù)，能夠在外延的β-ga2o3外延薄膜中產(chǎn)生較大的壓縮應(yīng)力，通過降溫，這種壓縮應(yīng)力會不斷增大，引起β-ga2o3外延薄膜各向異性的進一步增強。

16、2、該設(shè)備可以模擬一系列偏振敏感的突觸活動和偏振相關(guān)的圖像感知、學(xué)習(xí)和識別，在偏振成像和光通信方面顯示出巨大的潛力。

技術(shù)特征：

1.一種石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸，其特征在于，所述偏振敏感光電突觸依次包括作為襯底的單晶石英襯底(1)，設(shè)置于單晶石英襯底(1)上的各向異性β-ga2o3外延薄膜(2)，設(shè)置于β-ga2o3外延薄膜(2)上的電極ti/au薄膜(3)，所述的石英襯底(1)為與β-ga2o3外延薄膜(2)各向異性的周期性匹配的m或r面單晶石英襯底(1),所述的β-ga2o3外延薄膜層(2)兼具各向異性和高氧空位缺陷。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述偏振敏感光電突觸，其特征在于，所述單晶石英襯底(1)、β-ga2o3外延薄膜(2)面積大小對等，其面積均為1.0×1.0～5.0×5.0cm2，所述石英襯底(1)厚度為1-10μm；所述β-ga2o3薄膜(2)的厚度為0.1-0.5μm；所述ti/au電極薄膜(3)厚度為30-80nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振敏感光電突觸，其特征在于，所述β-ga2o3外延薄膜(2)對垂直和平行b軸的偏振紫外光的吸收各向異性比大于1.2，所述β-ga2o3外延薄膜(2)的氧空位濃度為20-65％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸，其特征在于，所述m或r面單晶石英襯底在正交方向可形成各向異性的擴散勢壘。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項所述石英襯底/β-ga2o3外延薄膜的偏振敏感光電突觸，其工作波段在200-280nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項所述偏振敏感光電突觸的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述β-ga2o3薄膜制備溫度為800-1000℃，加熱時間為0.5-2小時。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述等離子處理的氣體流量為80-150sccm。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述等離子處理的射頻功率和時間分別為100-200w和60-120分鐘。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種石英襯底/β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;基偏振敏感光電突觸及其制備方法，依次包括作為襯底的單晶石英襯底，設(shè)置于單晶石英襯底上的各向異性β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延薄膜層，設(shè)置于β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延薄膜層上的電極Ti/Au薄膜層，所述的石英襯底為與β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;各向異性周期性匹配的m或r面單晶石英襯底,所述的β?Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;外延薄膜層兼具各向異性和高氧空位缺陷。本發(fā)明制得偏振敏感突觸器件可以模擬一系列偏振敏感的突觸活動和偏振相關(guān)的圖像感知、學(xué)習(xí)和識別，在偏振成像、加密光通信等方面顯示出巨大的潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：楊軍,張鑫江,吳超,王順利,郭道友,吳然紅,鄭明山
受保護的技術(shù)使用者：浙江富樂德石英科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10