多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法技术

本发明专利技术属于光电探测技术领域，具体一种多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法。探测器结构包括：一顶层为n型掺杂的SOI衬底；一平行分布的硅纳米线阵列制备于SOI衬底的氧化硅层之上、顶层硅之中；一个二维超表面构筑并集成在硅纳米线阵列之中，该超表面由纳米尺度的金属天线组成；一对覆盖在硅纳米线列阵两端顶部对延伸电极。该探测器的探测波段不受传统探测器的半导体材料带间直接或间接跃迁的限制，能够覆盖整个1‑3μm波段。本发明专利技术解决了全硅材料不能工作在波长大于1.1μm红外波段的难题，实现与硅基CCD器件或CMOS读出电路完全兼容和集成，可以发展成多通道、高分辨、大面积焦平面像素列阵的红外光电芯片，具有广泛的应用前景。

Multichannel all silicon infrared photo thermoelectric detector and its fabrication

The invention belongs to the technical field of photoelectric detection, in particular to a multichannel all silicon-based infrared photothermoelectric detector and a manufacturing method thereof. The detector structure includes: a top layer is an n-type doped SOI substrate; a parallel distributed silicon nanowire array is prepared on the silicon oxide layer of SOI substrate and in the top layer silicon; a two-dimensional super surface is constructed and integrated in the silicon nanowire array, the super surface is composed of a nano scale metal antenna; a pair of extended electrodes are covered on the top of both ends of the silicon nanowire array. The detection band of the detector is not limited by the direct or indirect transitions between the semiconductor materials of the traditional detector, and can cover the whole 1 \u2011 3 \u03bc M band. The invention solves the problem that the all silicon material can not work in the infrared band with the wavelength greater than 1.1 \u03bc m, realizes complete compatibility and integration with the silicon-based CCD device or CMOS readout circuit, and can be developed into an infrared photoelectric chip with multi-channel, high-resolution and large area focal plane pixel array, which has a wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法
本专利技术属于光电探测
，具体涉及一种全硅基红外光电探测器及其制作方法。
技术介绍
目前应用于近红外光电探测（1-3μm）的材料，几乎全部被III-V/II-VI族材料支配，比如：InGaAs,HgCdTe,InSb等。但这些材料却存在以下缺陷：材料成本昂贵、富含毒性造成环境污染、材料生长和器件制备工艺极其复杂不稳定、所制备的器件良率低下、必须低温工作、受单晶材料锭条直径限制下无法实现大面积（目前GaAs最大面积为6英寸），并且与传统硅基CMOS工艺和读出电路芯片不兼容。另一方面，当前红外焦平面成像技术的发展趋势要求能满足大面积、探测单元面积不断缩小而实现高分辨成像、耐高温、性能稳定、低成本、与硅基CMOS读出电路可集成在同一衬底上形成红外光电芯片。在III-V/II-VI族化合物半导体为基底材料上用当前传统工艺技术发展起来的红外光电器件，很难顺应这个发展趋势。作为集成电路产业最基础，最成熟的工艺材料，硅材料具有不可替代的重要意义。然而，受到本身能带限制，近红外波段（>1.1μm）的光子能量小于其禁带宽度（1.1eV），以至于硅材料不能被简单的应用于红外/近红外波段探测。而采用硅掺杂衬底制作成的红外光电探测器的探测波段受离子能级的限制，具有很大的局限性，无法被广泛地应用于光电遥感技术。非辐射等离子体衰退形成的金属表面热电子光电探测器件，基于载流子内部激发效应的新型光电探测原理。光照激发在金属结构中产生的热载流子能够越过金属/半导体接触界面肖特基势垒，进入半导体内部，形成光电流，使得材料能够摆脱带隙限制，探测到光子能量小于材料本身禁带宽度的波段。该类型器件典型结构是在二维或者三维的材料上放置薄层金属，或者特殊排列的金属球或者金属天线,以形成肖特基结。普遍问题是现有的全硅基热载流子器件在近红外波段的响应率都很低，基本上小于10mA/W；并且量子效率也都小于1%，甚至仅仅0.01-0.2%，远低于基于传统III-V/II-VI族半导体材料的探测器的性能。在全硅基热电子红外探测器的实际应用中，除了要求其具有很高的响应率和量子效率，还得要求器件工作时的暗电流很小，即要求器件在红外波段有很高的探测率和低功率入射光监测能力。然而，以往大多数热电子器件都是采用消减金属/半导体接触面的肖特基势垒高度的方式来增强量子效率，这同时导致了器件暗电流的增加，致使噪声等效功率增加，性能下降。而为了矫正器件性能，获取一个可以接受的暗电流值，这些器件也都得冷冻，低温工作。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出一种多通道全硅基红外光电探测器结构及其制作方法，以解决硅材料受带隙限制不能工作与大于1.1µm波段的难题，克服目前硅基热电子红外器件响应率、量子效率和探测率低下及暗电流较高的缺陷，实现全硅基光电探测器的高灵敏度红外监测能力。本专利技术提供的多通道全硅基热电子红外光电探测器，包括：一绝缘体上硅（SOI）衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；一超表面构筑，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端。本专利技术中，硅纳米线阵列中，线宽、线距、线长等可以任意选取。本专利技术中，所述超表面金属天线具体结构是由周期性排列的金属点阵构成。本专利技术中，所述衬底顶层的n型掺杂硅为磷离子n型低掺杂，近乎本征掺杂。本专利技术中，所述金属天线材质为铬、金、银、铝、铜和铂金中的一种，或其中几种的组合。本专利技术中，所述的顶部电极材质为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或其中几种的组合。本专利技术中，光入射平面为SOI衬底的顶部（为正入射）或者底部（为背入射）。本专利技术提供的全硅基红外光热电探测器，其工作原理如下：利用超表面构筑的金属纳米天线实现入射光的完美吸收，并调节场模式以实现金属/半导体界面的高度场局域特性；金属天线进一步在入射光条件下形成表面等离激元，进而在金属表面等离激元非辐射驰豫期间激发产生热载流子；热载流子通过内部发射过程进入一维硅纳米线阵列，并进行一维量子输运形成光电流。本专利技术还提供上述全硅基热电子红外光电探测器制作方法，具体步骤为：步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂光刻胶-1，样品烘干；进行电子束曝光，然后放入显影液-1中显影，再沉积金属十字形标记，最后进行剥离工艺；步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬，剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；步骤四：将样品以铬为掩膜，进行干法刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；步骤六：将曝光完成后的样品，再次放入显影液-2中进行显影；步骤七：将显影后的样品放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；步骤八：迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属天线沉积，然后剥离；步骤九：在沉积金属天线后的样品上最后旋涂光刻胶-1，烘干样品；以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置，然后进行曝光；再放入显影液-1中显影；放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属接触电极的沉积，然后剥离，完成器件制备。本专利技术中，所述的光刻胶-1为化学放大胶（如SAL601,UV5,UVIII,SU8等）或者普通正性光刻胶（如PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A等）中的一种。本专利技术中，所述的光刻胶-2为正性电子束光刻胶（如PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A等）中的一种。本专利技术中，所述的显影液-1为：MF312:DIwater,CD26,ECsolvent，或者MIBK:IPA,或O-xylene中的一种。本专利技术中，所述的显影液-2为：MIBK:IPA,O-xylene中的一种。本专利技术中，所述的金属标记的材料为铬金，铂金，镍、钛、钯中的一种。本专利技术中，所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或者电感耦合等离子体刻蚀。本专利技术中，所述的金属沉积设备为热蒸发或者电子束蒸发设备。本专利技术中，所述的剥离工艺的溶液为丙酮、PGRemover中的一种。本专利技术中，所述的氢氟酸溶液的浓度为0.5%-10%之间。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下优势：（1）利用本专利技术，器件材料为全硅基和金属材料，制造技术与CMOS工艺兼容，在进一步发展红外焦平面探测列阵成像领域可以将探测元器件与读出线路集成在一个衬底上；（2）利用本专利技术，器件材料为全硅基和金属材料，成本低廉、可与现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，包括：/n一绝缘体上硅衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；/n一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；/n一超表面，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；/n一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端；/n光入射平面为SOI衬底的顶部或者底部。/n

【技术特征摘要】
1.一种多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，包括：
一绝缘体上硅衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；
一超表面，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端；
光入射平面为SOI衬底的顶部或者底部。


2.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述衬底顶层的n型掺杂硅为磷离子n型低掺杂，近乎本征掺杂。


3.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述金属天线材质为铬、金、银、铝、铜和铂金中的一种，或其中几种的组合。


4.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述的顶部电极材质为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或其中几种的组合。


5.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，工作原理如下：
利用超表面构筑的金属纳米天线实现入射光的完美吸收，并调节场模式以实现金属/半导体界面的高度场局域特性；金属天线进一步在入射光条件下形成表面等离激元，进而在金属表面等离激元非辐射驰豫期间激发产生热载流子；热载流子通过内部发射过程进入一维硅纳米线阵列，并进行一维量子输运形成光电流。


6.如权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器的制作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂光刻胶-1，样品烘干；进行电子束曝光，然后放入显影液-1中显影，再沉积金属十字形标记，最后进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宜方，冯波，陆冰睿，朱静远，刘飞飞，周磊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31