一种提高量子效率的PtSi红外探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种提高量子效率的PtSi红外探测器，属于红外成像技术领域，包括p型硅衬底、覆盖的光栅型PtSi金属膜以及二氧化硅抗反射膜；p型硅衬底的上表面刻蚀有光栅A，下表面刻蚀有光栅B；光栅A为采用反应离子干法刻蚀的光栅结构、A的表面通过磁控溅射的方法蒸镀PtSi金属膜；光栅B为采用反应离子干法刻蚀的亚波长光栅结构、B的表面蒸镀的二氧化硅抗反射膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外成像
，具体涉及一种提高量子效率的PtSi红外探测器。
技术介绍
红外焦平面探测器技术正向大面阵、宽光谱、高均匀性、高灵敏度、低成本的方向发展。传统PtSi红外探测器结构如图1所示，具有铝(Al)反射镜、二氧化硅光腔介质、PtSi金属膜(3nm左右)、p-Si衬底(450μm左右)和二氧化硅抗反射膜(0.8μm左右)。传统的PtSi红外探测器红外焦平面探测器与CCD读出电路单片集成，同时具有大面阵、宽光谱(1μm-10μm)、高均匀性(非均匀性通常小于1％)、低成本的特点，因其在多光谱/宽光谱成像、侦察监视、激光探测、天文观测、医疗检测等领域具有应用潜力而再次受到关注。另外，成熟的亿像素超大面阵CCD技术可使硅化物肖特基势垒红外探测器列阵像元规模也达到亿像素的规模，从而具有获得亿像素量级宽光谱、高均匀性、低成本红外焦平面探测器的潜力。灵敏度相对较低(相对孔径1.0时的噪声等效温差典型值为100mK)是硅化物肖特基势垒红外焦平面探测器的主要缺点。随着其它红外探测器技术的迅速发展，传统PtSi红外探测器的应用面临着严峻的挑战。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种提高量子效率的PtSi红外探测器，解决了传统的探测器因量子效率在中波红外波段(3μm-5μm)低导致热灵敏度不高的问题，改善了探测器的热灵敏度。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种提高量子效率的PtSi红外探测器，包括p型硅衬底、覆盖的光栅型PtSi金属膜以及二氧化硅抗反射膜；所述p型硅衬底的上表面刻蚀有光栅A，下表面刻蚀有光栅B。所述光栅A为采用反应离子干法刻蚀的光栅结构、A的表面通过磁控溅射的方法蒸镀PtSi金属膜。光栅B为采用反应离子干法刻蚀的亚波长光栅结构、B的表面蒸镀的二氧化硅抗反射膜。优选地，光栅B为一维亚波长光栅结构或者二维亚波长光栅结构。优选地，光栅B的周期小于或者等于所述PtSi红外探测器接收的入射辐射波长、槽深在0.4μm-0.6μm之间、占空比在0.5-0.6μm之间。优选地，二氧化硅抗反射膜的厚度在0.4μm-0.6μm之间。优选地，光栅A的光栅周期为2μm、槽深在1μm-1.6μm之间、占空比在0.4-0.6μm之间。有益效果：该专利技术中红外辐射进入亚波长光栅抗反射结构的PtSi红外探测器主要分两步：(1)经过亚波长光栅抗反射结构即光栅B进入p-Si衬底，亚波长光栅结构等效成一定折射率的均匀介质薄膜，在入射介质真空与基底介质p-Si衬底之间形成折射率渐变层，这将有效降低由于入射介质与基底介质折射率不一样导致的反射损耗，增加红外辐射的透射效率；(2)红外辐射经过p-Si衬底到达光栅A上的PtSi金属膜，使入射辐射与界面处PtSi金属导体中的自由电子相互作用并形成束缚在金属表面的集体振荡状态，有效激发表面等离子体波，另外由于PtSi金属光栅间形成的法布利珀罗(Fabry-Perot)空腔谐振，增加了入射辐射被金属俘获产生电子的概率，导致光学吸收增加，进而增加探测器的外量子效率。附图说明图1为传统PtSi红外探测器结构示意图；图2为本专利技术实施例亚波长光栅抗反射结构和金属光栅激发表面等离子波的PtSi红外探测器结构示意图；图3为本专利技术实施例一维、二维亚波长光栅抗反射结构的金属光栅表面等离子共振增强PtSi红外探测器；图4为本专利技术实施例一维、二维亚波长光栅抗反射结构的金属光栅表面等离子共振增强PtSi红外探测器的量子效率(传统结构以及理论极限的外量子效率也给出)。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术所提出的一种提高量子效率的PtSi红外探测器，该种探测器设计的基本思想为：在传统的PtSi红外探测器的p-Si衬底上采用反应离子干法刻蚀光栅A，然后通过磁控溅射的方法蒸镀PtSi金属膜；该金属膜与p-Si半导体衬底金半接触结构满足表面等离子体波的存在条件，并利用PtSi金属光栅实现入射光波矢与表面等离子体波波矢匹配，从而能将入射光耦合激发形成表面等离子体波。在传统的PtSi红外探测器的p-Si衬底底部采用反应离子干法刻蚀亚波长光栅B，刻蚀后退火以除去由刻蚀引入的表面缺陷，然后在亚波长光栅上蒸镀一层二氧化硅抗反射膜，光栅结构可以为一维亚波长光栅结构，也可以为二维亚波长光栅结构。亚波长光栅结构在不同的光栅参数下，可等效为不同折射率的均匀介质薄膜；另外，光栅结构可使入射辐射发生大角度的前向散射。新结构如图2所示。光栅B的周期小于或者等于PtSi红外探测器接收的入射辐射波长、槽深在0.4-0.6μm之间、占空比在0.5-0.6μm之间。二氧化硅抗反射膜的厚度在0.4-0.6μm之间。光栅A的光栅周期为2μm、槽深在1-1.6μm之间、占空比在0.4-0.6μm之间。红外辐射进入亚波长光栅抗反射结构的PtSi红外探测器主要分两步：(1)经过亚波长光栅抗反射结构进入p-Si衬底，亚波长光栅结构等效成一定折射率的均匀介质薄膜，在入射介质真空与基底介质p-Si衬底之间形成折射率渐变层，这将有效降低由于入射介质与基底介质折射率不一样导致的反射损耗，增加红外辐射的透射效率；(2)红外辐射经过p-Si衬底到达光栅型PtSi金属膜，使入射辐射与界面处PtSi金属导体中的自由电子相互作用并形成束缚在金属表面的集体振荡状态，有效激发表面等离子体波，另外由于PtSi金属光栅间形成的法布利珀罗(Fabry-Perot)空腔谐振，增加了入射辐射被金属俘获产生电子的概率，导致光学吸收增加，进而增加探测器的外量子效率。实施例根据上述基本思想，以亚波长光栅抗反射结构和金属光栅激发表面等离子波的PtSi红外探测器为例，通过对亚波长光栅抗反射结构参数以及光栅型PtSi金属膜参数的优化，尽量使得3μm-5μm整个波段的反射最小，PtSi层吸收最大。先经过大量仿真得到光栅周期Λ、刻槽深度h、占空比f和SiO2抗反射膜厚度d、光栅型PtSi金属膜中光栅周期、槽深、占空比的基本优化值，然后取这些优化值，再对其中每一个参数进行局部优化。最后数值仿真得出亚波长光栅抗反射结构的周期为3μm，光栅槽深h＝0.5μm，光栅占空比f＝0.5，SiO2抗反射膜厚d＝0.4μm，光栅型PtSi金属膜中光栅周期为2μm、槽深为1.6μm、占空比为0.5的反射最小，吸收最大。得到带有一维、二维亚波长光栅抗反射结构的金属光栅表面等离子共振增强PtSi红外探测器(分别简称为一维复合光栅结构和二维复合光栅结构)的吸收效率如图3所示。为了便于比较，也给出了传统结构和仅有金属光栅结构的PtSi红外探测器的吸收效率。最后，根据PtSi红外探测器的吸收效率可以计算得到理论外量子效率EQE：EQE=A(λ)G(hυ-ψms)28ψmshυ---(1)]]>G=[12ln(hυ/ψms)1-ψms/hυ-1]Lt---(2)]]>其中，hυ为红外入射光子能量，ψms为PtSi红外探测器肖特基势垒高度，G是内量子效率的放大倍数，表示由于PtSi/p-Si界面反射(散射)的热空穴而引起的内量子效率的提高。其中L为热空穴的平均自由程；t为硅化物薄膜的厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，包括p型硅衬底、覆盖的光栅型PtSi金属膜以及二氧化硅抗反射膜；所述p型硅衬底的上表面刻蚀有光栅A，下表面刻蚀有光栅B；所述光栅A为采用反应离子干法刻蚀的光栅结构、A的表面通过磁控溅射的方法蒸镀PtSi金属膜；光栅B为采用反应离子干法刻蚀的亚波长光栅结构、B的表面蒸镀的二氧化硅抗反射膜。

【技术特征摘要】
1.一种提高量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，包括p型硅衬底、覆盖的光栅型PtSi金属膜以及二氧化硅抗反射膜；所述p型硅衬底的上表面刻蚀有光栅A，下表面刻蚀有光栅B；所述光栅A为采用反应离子干法刻蚀的光栅结构、A的表面通过磁控溅射的方法蒸镀PtSi金属膜；光栅B为采用反应离子干法刻蚀的亚波长光栅结构、B的表面蒸镀的二氧化硅抗反射膜。2.如权利要求1所述的一种提高量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，所述光栅B为一维亚波长光栅结构或者二维亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岭雪，康冰心，蔡毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11