CN114964569A - 一种量子阱偏压和应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提涉及量子阱偏压和应力传感器,并且根据本发明的一个方面,提供了偏压和应力传感器,其包括:基底;设置在所述基底上的第一电极;设置在所述第一电极上的半导体缓冲层;设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层;设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层;设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层;设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层;设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极;以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层,其中所述量子阱为半导体量子阱。
Description
技术领域
本发明涉及偏压和应力传感器,特别地,具体涉及使用量子阱的偏压和应力传感器。
背景技术
偏压和应力传感器主要指能感受应力或压力变化并转换为可用输出信号的传感器,在工程、应用等场景应用中,被广泛使用。按照传感器材料及电子元件特性,不同种类的偏压和应力传感器的实现方式主要包括,电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。这些类型的应变式传感器常常无法准确评估微小的应力或电压变化,或者需要复杂的电路结构。
在半导体物理学中,自旋轨道耦合(SOC)主要存在两种形式,一种是由G.Dresselhaus在1955年研究闪锌矿半导体对称性时提出的,后被称作Dresselhaus SOC,另一种是由E.Rashba等人在研究二维电子气自旋共振时提出的SOC,简称Rashba SOC。Rashba SOC起源于材料的结构反演不对称性(Structural Inversion Asymmetry),可以利用电场和应力等多种方式进行操控,因此受到广泛关注。电场中移动的电子将携带一个有效的磁场,该磁场与电子的自旋磁矩发生作用,形成自旋轨道耦合。Rasha SOC在物理前沿研究和应用中广受关注,如自旋电子学、自旋-轨道电子学以及拓扑量子材料。
利用一些具有压电特性和自旋轨道耦合性质的新型半导体材料,其SOC的性质可以被偏压和应力操控。外界施加的应力或偏压一方面可以控制其的界面极化场,调节结构反演不对称性,调控Rashba SOC,另一方面还可以改变其内部的材料晶格形变,调节体反演不对称性,调控Dresselhaus SOC。两种效果促使其对应变的变化具有非常高的敏感特性,仅仅需要简单的夹层结构即可实现对微小偏压和应力变化的高敏感度。这种量子阱偏压与压电传感器利用材料的自旋耦合特性和压电性质来设计,与普通的应力传感器相比,这种基于自旋耦合特性的新型传感器,具有结构简单,低成本,低功耗,高性能等优点。
发明内容
技术问题
为了克服在微小应力不易监测的问题,本发明提供了一种量子阱偏压与压电传感器,可实现对外部微小偏压和应力的监测。
本发明要解决的问题是提供一种偏压和应力传感器,其能够对微小偏压和应力敏感并引起电流的较大变化,其中压电半导体层的SOC系数受到偏压和应力的影响而出现较大变化。
此外,本发明要解决的另一个问题是提供一种偏压和应力传感器,其能够有效地使施加的偏压和应力到达采集部,并有效地放大或减小内部的电流。
技术方案
为了解决上述问题,根据本发明的一个方面,提供了偏压和应力传感器。包括:基底;设置在所述基底上的第一电极;设置在所述第一电极上的半导体缓冲层;设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层;设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层;设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层;设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层;设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极;以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层。
此外,所述量子阱为半导体量子阱,其组成包括第一半导体掺杂层、第一半导体隔离层、压电半导体层、第二半导体掺杂层、第二半导体隔离层。
此外,该偏压和应力传感器还可以包括用于感应施加的偏压和应力的采集部,其被设置在压电半导体层上。
另外,根据本发明的另一方面,提供了偏压和应力传感器,包括基底;设置在所述基底上的第一电极;设置在所述第一电极上的半导体缓冲层;设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层;设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层;设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层;设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层;设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极;以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层。此外,所述的量子阱为半导体量子阱。此外,该偏压和应力传感器还可以包括用于感应施加的偏压和应力的采集部,其被设置在压电半导体层上。
有益效果
如上所述,根据本发明的至少一个实例设计的偏压和应力传感器,其通过偏压和应力调控压电半导体层的SOC系数,从而改变量子阱的电流传输信号。利用量子阱的电学性质和自旋轨道耦合性质的偏压和应力可调性,进一步放大或减小电流传输信号,从而用于检测外部偏压和应力的微小变化。此外,可以有效地使偏压和应力被采集部感应,并且可以提高偏压和应力传感器的效率。本申请整体无需复杂电路,结构简单,具有低功耗、高灵敏度等特点。
附图说明
图1为示出根据本发明的第一实例的偏压和应力传感器的示意性截面图。
图2为示出根据本发明的第一实例的偏压和应力传感器的示意性三维图。
图3为示出根据本发明的第二实例的偏压和应力传感器的示意性截面图。
图4为示出根据本发明的第二实例的偏压和应力传感器的示意性三维图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细描述根据本发明的一个实例偏压和应力传感器。
此外,无论附图标记如何,相同或相似的附图标记被给予相同或相应的组件,将省略其多余的说明,并且为了方便说明起见,可以放大或缩小所示的各组件构件的尺寸和形状。
图1为示出根据本发明的第一实例的偏压和应力传感器(10)的示意性截面图。
本发明提供了包括形成在第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间的压电半导体层的偏压和应力传感器(10)。此外,压电半导体层被设置成其SOC系数可以被施加的偏压和应力影响。
参照图1第一实例设计的偏压和应力传感器(10)包括基底(11)、第一电极(12)、半导体缓冲层(13)、第一半导体掺杂层(14)、第一半导体隔离层(15)、压电半导体层(16)、第二半导体隔离层(17)、第二半导体掺杂层(18)、第二电极(19)。
具体地,本发明的一个实例涉及的偏压和应力传感器(10)包括基底(11);设置在所述基底上的第一电极(12);设置在所述第一电极上的半导体缓冲层(13);设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层(14);设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层(15);设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层(17);设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层(18);设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极(19);以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层(16)。
此外,半导体缓冲层(13)和第二半导体掺杂层(18)被设置成分别与第一电极层(12)和第二电极层(19)电连接。
此外,第一半导体掺杂层(14)和第二半导体隔离层(17)被设置成分别与半导体缓冲层(13)和第二半导体掺杂层(18)电连接。
此外,第一半导体隔离层(15)与压电半导体层(16)被设置成分别与第一半导体掺杂层(14)和第二半导体隔离层(17)电连接。
此外,压电半导体层(16)被设置成与第一半导体隔离层(15)和第二半导体隔离层(17)电连接。
此外,压电半导体层(16)被设置成其SOC系数随施加的偏压和应力而变化。
压电半导体层(16)中,量子阱可以通过控制其尺寸和组成而容易的控制电子结构的能隙。
使用量子阱的偏压和应力传感器(10)的操作原理是实时检测压电半导体层中的电流传输信号并利用压电半导体层(16)的SOC系数变化,例如,在使用量子阱的偏压和应力传感器(10)的情况下,其可以与场效应薄膜晶体管(TFT)组合。
特别地,其可以引起关于SOC系数变化导致的电流传输信号差并对其进行测量,其中当压电半导体层(16)的SOC系数根据压电半导体层(16)与施加的偏压和应力感应而改变时产生SOC系数差。
另外,半导体层(16)可以以膜形式形成。
此外,由施加的偏压和应力引起的SOC系数变化而导致的电流传输信号差是一种新的且高度可行的测量方法,其中SOC系数与施加的偏压和应力分别成负相关。
此外,本发明中可用的半导体缓冲层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
此外,本发明中可用的第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
此外,第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层应具有一定的掺杂浓度。
此外,本发明中可用的第一半导体隔离层和第二半导体隔离层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
另外,优选地,作为本发明中的可用量子阱,使用的是半导体量子阱。当使用半导体量子阱时,可以在第一电极(12)和第二电极(19)之间通过包括但不限于分子束外延、溶液法等方法形成半导体量子阱,并且可以使量子阱均匀分布。
作为压电半导体,可以使用选自以下中的任一者或更多者:GaN、ZnO、BN、BP、BAs、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb。
另外,第一电极(12)和第二电极(19)可以分别由金属形成,所述金属可以使用选自以下中的任一者或更多者:Cr、MO、Al、Ti、Au、Ag、Cu和Pt。
此外,基底(11)选自以下中的任一者或者更多者(柔性材料):聚乙烯醇(PVA)、聚酯(如PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、纸片、纺织材料、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
此外,除如上述的第一电极(12)、半导体缓冲层(13)、第一半导体掺杂层(14)、第一半导体隔离层(15)、压电半导体层(16)、第二半导体隔离层(17)、第二半导体掺杂层(18)、第二电极(19)之外的其余结构没有特别限制,只要其通常可以用于偏压和应力传感器(10)中即可。
图3为示出根据本发明的第二实例的偏压和应力传感器(100)的示意性截面图。
参照图3第二实例设计的偏压和应力传感器(100)包括基底(110)、第一电极(120)、第一半导体掺杂层(140)、压电半导体层(160)、第二半导体掺杂层(180)、第二电极(190)。
具体地,本发明的一个实例涉及的偏压和应力传感器(100)包括基底(110);设置在所述基底上的第一电极(120);设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层(140);设置在所述第一半导体掺杂层上的第二半导体掺杂层(180);设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极(190);以及设置在所述第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层(160)。
此外,第一半导体掺杂层(140)和第二半导体掺杂层(180)被设置成分别与第一电极层(120)和第二电极层(190)电连接。
此外,压电半导体层(160)被设置成与第一半导体掺杂层(140)和第二半导体掺杂层(180)电连接。
此外,压电半导体层(160)被设置成其SOC系数随施加的偏压和应力而变化。
压电半导体层(160)中,量子阱可以通过控制其尺寸和组成而容易的控制电子结构的能隙。
使用量子阱的偏压和应力传感器(100)的操作原理是实时检测压电半导体层中的电流传输信号并利用压电半导体层(160)的SOC系数变化,例如,在使用量子阱的偏压和应力传感器(100)的情况下,其可以与场效应薄膜晶体管(TFT)组合。
特别地,其可以引起关于SOC系数变化导致的电流传输信号差并对其进行测量,其中当压电半导体层(160)的SOC系数根据压电半导体层(160)与施加的偏压和应力感应而改变时产生SOC系数差。
另外,半导体层(160)可以以膜形式形成。
此外,由施加的偏压和应力引起的SOC系数变化而导致的电流传输信号差是一种新的且高度可行的测量方法,其中SOC系数与施加的偏压和应力分别成负相关。
此外,本发明中可用的第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、Sn56Se、SnPbTe。
此外,第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层应具有一定的掺杂浓度。
另外,优选地,作为本发明中的可用量子阱,使用的是半导体量子阱。当使用半导体量子阱时,可以在第一电极(120)和第二电极(190)之间通过包括但不限于分子束外延、溶液法等方法形成半导体量子阱,并且可以使量子阱均匀分布。
作为压电半导体,可以使用选自以下中的任一者或更多者:GaN、ZnO、BN、BP、BAs、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb。
另外,第一电极(120)和第二电极(190)可以分别由金属形成,所述金属可以使用选自以下中的任一者或更多者:Cr、MO、Al、Ti、Au、Ag、Cu和Pt。
此外,基底(110)选自以下中的任一者或者更多者(柔性材料):聚乙烯醇(PVA)、聚酯(如PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、纸片、纺织材料、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
此外,除如上述的第一电极(120)、第一半导体掺杂层(140)、压电半导体层(160)、第二半导体掺杂层(180)、第二电极(190)之外的其余结构没有特别限制,只要其通常可以用于偏压和应力传感器(100)中即可。
如上所述的本发明的优选实例出于说明的目的而公开,本领域技术人员可以在本发明的构思和范围内对其进行修改、改变和添加,并且认为这样的修改、改变和添加落入以上权利要求内。
工业适用性
根据本发明的至少一个实例设计的偏压和应力传感器,其可以根据压电半导体层与施加偏压和应力之前的感应来测量压电半导体层的SOC系数变化,从而检测偏压和应力。
Claims (19)
1.一种量子阱偏压和应力传感器,包括;
基底;
设置在所述基底上的第一电极;
设置在所述第一电极上的半导体缓冲层;
设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层;
设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层;
设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层;
设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层;
设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极;
以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层。
其中所述量子阱为半导体量子阱。
2.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,包括用于感应偏压和应力的采集部,所述采集部被设置在所述压电半导体层上。
3.根据权利要求2所述的偏压和应力传感器,其中所述的采集部可以被偏压影响,其偏压包含但不限于以下一种或多种:交流、直流、脉冲。
4.根据权利要求2所述的偏压和应力传感器,其中所述的采集部可以被应力影响,其应力形式包含但不限于以下一种或多种:拉伸、压缩、旋转、扭曲。
5.根据权利要求3-4所述的偏压和应力传感器,其中所述偏压施加在第一电极和所述第二电极。
6.根据权利要求3-4所述的偏压与应力传感器,其所述的应力施加在所述传感器的表面。
7.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述压电半导体层为选自以下中的任一者或者更多者(典型的如III-V族半导体):GaN、ZnO、BN、BP、BAs、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb。
8.根据根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其所述的量子阱的组成包括第一半导体掺杂层、第一半导体隔离层、压电半导体层、第二半导体掺杂层、第二半导体隔离层。
9.根据权利要求7所述的偏压和应力传感器,其中所述压电半导体的自旋轨道耦合(SOC)系数被应力或偏压影响。
10.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述量子阱具有的量子传输性质可以被应力或偏压影响。
11.根据权利要求8所述的偏压和应力传感器,其中所述量子阱内的电流被应力或偏压影响。
12.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述的第一半导体隔离层和第二半导体隔离层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
13.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述的第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
14.根据权利要求10所述的第一半导体掺杂层和第二半导体掺杂层,其应当具备一定的掺杂浓度。
15.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述的半导体缓冲层为选自以下中的任一者或者更多者:ALGaN、InGaN、MgZnO、CdZnO、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、GaNAs、GaNSb、GaPAs、GaPSb、InNP、InNAs、InNSb、InPAs、InPSb、SnSeS、SnSeTe、SnSTe、PbSeS、PbSeTe、PbSTe、SnPbS、SnPbSe、SnPbTe。
16.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述的第一电极和第二电极为选自以下中的任一者或者更多者(金属):Cr、MO、Al、Ti、Au、Ag、Cu和Pt。
17.根据权利要求1所述的偏压和应力传感器,其中所述的衬底为选自以下中的任一者或者更多者(柔性材料):聚乙烯醇(PVA)、聚酯(如PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、纸片、纺织材料、聚四氟乙烯(PTFE)聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
18.一种量子阱偏压和应力传感器,包括;
基底;
设置在所述基底上的第一电极;
设置在所述第一电极上的半导体缓冲层;
设置在所述半导体缓冲层上的第一半导体掺杂层;
设置在所述第一半导体掺杂层上的第一半导体隔离层;
设置在所述第一半导体隔离层上的第二半导体隔离层;
设置在所述第二半导体隔离层上的第二半导体掺杂层;
设置在所述第二半导体掺杂层上的第二电极;
以及设置在所述第一半导体隔离层和第二半导体隔离层之间并且设置成具有能够感应偏压和应力的压电半导体层。
其中所述量子阱为半导体量子阱。
19.根据权利要求18所述的偏压和应力传感器,包括用于感应偏压和应力的采集部,所述采集部被设置在所述压电半导体层上。
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