基于超表面光学天线的红外射频信号探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器及其制备方法，包括自下而上依次设置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；超表面光学天线层是由多个彼此间隔的金属层组成的阵列结构，金属层包括第一金属层和第二金属层，第一金属层为宽度为0.5～5mm具有周期性纳尖结构的金属纳尖阵列，第二金属层为宽度为5～100mm的金属阵列，由周期性排列的微米基元构成；超表面光学天线层对入射的红外、射频S、C或X波段的信号具有局域表面等离激元效应，能够以较小的体积完成响应速度较快的信号探测。积完成响应速度较快的信号探测。积完成响应速度较快的信号探测。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面光学天线的红外射频信号探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于信号探测
，更具体地，涉及一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]红外、射频S波段、C波段或X波段探测在安检监控系统、材料检测、空间通信、信号探测、航天航空和雷达等众多领域有着广泛地应用。现有的红外射频探测器主要包括扫描子系统、接收机子系统和定标子系统，通过天线进行探测，如喇叭聚焦天线，尺寸很大，可以达到数十厘米或分米，其探测装置需配套复杂精密的饲服、驱动或扫描机构(如旋转平台、波导传输、矢量分析仪等)，体积和质量大，响应速度慢；且在红外射频S波段、C波段以及X波段分别独立探测，光谱探测波长范围较单一，无法在要求高速、高灵敏、小微型化信号探测的场景下适用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器及其制备方法，其目的在于解决现有技术存在的体积大、相应慢和波段窄的技术问题。
[0004]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器，包括：自下而上依次设置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；其中，超表面光学天线层分别与肖特基电极和普通电极相连，其内部缝隙由二氧化硅层填充；
[0005]超表面光学天线层是由多个彼此间隔的金属层组成的阵列结构，用于基于其对入射的红外、射频S波段、C波段或X波段的电磁信号所产生的局域表面等离激元效应，进行信号探测；
[0006]各金属层相互并联，一端与肖特基电极相连，另一端与普通电极相连；金属层包括第一金属层和第二金属层；
[0007]第一金属层为宽度为0.5～5mm的金属纳尖阵列，对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性；金属纳尖阵列为具有周期性纳尖结构的金属阵列；纳尖结构为纳米尺度的尖型结构，由金属纳尖构成；
[0008]第二金属层为宽度为5～100mm的金属阵列，对于入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有局域表面等离激元效应；第二金属层由周期性排列的微米基元构成；微米基元为微米结构。
[0009]进一步优选地，第一金属层与第二金属层均分布在同一平面上，共同构成阵列结构；或者，第一金属层与第二金属层分别位于两个不同平面，第一金属层位于第一平面上，在第一平面上构成阵列结构，第二金属层位于第二平面上，在第二平面上构成阵列结构，第
一平面与第二平面相互叠加。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器，包括：衬底、自衬底上表面向上依次设置的第一掺杂层和第一二氧化硅层、自衬底下表面向下依次设置的第二掺杂层和第二二氧化硅层、制作于第一掺杂层之上与第一掺杂层形成肖特基接触的第一超表面光学天线层、制作于第二掺杂层之下与第二掺杂层形成肖特基接触的第二超表面光学天线层、制作于第一掺杂层之上与第一掺杂层形成欧姆接触的第一欧姆电极，制作于第二掺杂层之下与第二掺杂层形成欧姆接触的第二欧姆电极、位于第一二氧化硅层的上表面的第一肖特基电极和第一普通电极以及位于第二二氧化硅层的下表面的第二肖特基电极和第二普通电极；其中，第一超表面光学天线层分别与第一肖特基电极和第一普通电极相连，其内部缝隙由第一二氧化硅层填充；第二超表面光学天线层分别与第二肖特基电极和第二普通电极相连，其内部缝隙由第二二氧化硅层填充；
[0011]第一超表面光学天线层是由多个彼此间隔的第一金属层组成的阵列结构，用于基于其对入射的红外电磁信号所产生的局域表面等离激元效应，进行红外信号的探测；第一金属层为宽度为0.5～5mm的金属纳尖阵列，金属纳尖阵列为具有周期性纳尖结构的金属阵列；纳尖结构为纳米尺度的尖型结构，由金属纳尖构成；
[0012]第二超表面光学天线层是由多个彼此间隔的第二金属层组成的阵列结构，用于基于其对入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号所产生的局域表面等离激元效应，进行射频信号探测；第二金属层为宽度为5～100mm的金属阵列，由周期性排列的微米基元构成；微米基元为微米结构；
[0013]各第一金属层相互并联，一端与第一肖特基电极相连，另一端与第一普通电极相连；各第二金属层相互并联，一端与第二肖特基电极相连，另一端与第二普通电极相连。
[0014]在本专利技术第一方面和第二方面所提供的一种基于光学天线的红外射频信号探测器技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
[0015]进一步优选地，上述金属纳尖阵列包括多个相同的金属纳尖单元，金属纳尖单元由上述金属纳尖构成；
[0016]金属纳尖与掺杂层平行时，金属纳尖阵列为平面结构，金属纳尖为平面金属纳尖，平面金属纳尖的宽度为20～80nm，高度为80～300nm，尖角角度为10～60度；
[0017]金属纳尖与掺杂层垂直时，金属纳尖阵列为立体结构，金属纳尖为直立金属纳尖，直立金属纳尖为直立棱台结构，其棱边的数目N≥6；各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～40度；下底面边长为30～200nm，上底面边长为10～100nm，斜高为80～300nm。
[0018]进一步优选地，当金属纳尖阵列为平面结构时，上述金属纳尖阵列还包括多个相同的微米单元；微米单元为微米结构，形状为多边形；各金属纳尖单元均分布在微米单元各个边的外侧或内侧，共同构成微纳结构。
[0019]进一步优选地，微米基元间的间距为50～500微米；
[0020]微米基元与掺杂层平行时，微米基元为弧形平面结构，其弧度为10～120度，长度为10～500微米，宽度为50～500微米；
[0021]微米基元与掺杂层垂直时，微米基元为圆锥形结构或上底面为弧形的棱台结构；
[0022]微米基元为上底面为弧形的直立棱台结构时，其棱边的数目为3或者4，上底面的弧度为10～180度，下底面边长为10～100微米，斜高为1～100微米；
[0023]微米基元为圆锥形结构时，其底面直径为10～100微米，高度为1～100微米，锥角角度为10～60度。
[0024]第三方面，本专利技术提供了一种本专利技术第一方面所提供的红外射频信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0025]S101、在衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；
[0026]S102、在掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
[0027]S103、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层欧姆接触的欧姆电极；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器，其特征在于，包括：自下而上依次设置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；其中，所述超表面光学天线层分别与所述肖特基电极和所述普通电极相连，其内部缝隙由所述二氧化硅层填充；所述超表面光学天线层是由多个彼此间隔的金属层组成的阵列结构，用于基于其对入射的红外、射频S波段、C波段或X波段的电磁信号所产生的局域表面等离激元效应，进行信号探测；各金属层相互并联，一端与所述肖特基电极相连，另一端与所述普通电极相连；所述金属层包括第一金属层和第二金属层；所述第一金属层为宽度为0.5～5mm的金属纳尖阵列，对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性；所述金属纳尖阵列为具有周期性纳尖结构的金属阵列；所述纳尖结构为纳米尺度的尖型结构，由金属纳尖构成；所述第二金属层为宽度为5～100mm的金属阵列，由周期性排列的微米基元构成，对于入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有局域表面等离激元效应；所述微米基元为微米结构。2.根据权利要求1所述的红外射频信号探测器，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层均分布在同一平面上，共同构成阵列结构；或者，所述第一金属层与所述第二金属层分别位于两个不同平面，所述第一金属层位于第一平面上，在所述第一平面上构成阵列结构，所述第二金属层位于所述第二平面上，在所述第二平面上构成阵列结构，所述第一平面与所述第二平面相互叠加。3.一种权利要求1所述的红外射频信号探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S101、在衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；S102、在掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；S103、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层欧姆接触的欧姆电极；S104、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，形成肖特基接触孔；S105、在二氧化硅层上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极和普通电极；S106、在二氧化硅层上制备多个彼此间隔的金属层组成的阵列结构，形成超表面光学天线层；该超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。4.根据权利要求3所述的红外射频信号探测器的制备方法，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层位于同一平面时，所述S106包括：在二氧化硅层上制备宽度为0.5～5mm、且与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触的金属纳尖阵列，构成第一金属层；在
二氧化硅层上的制备宽度为5～100mm、且与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触的金属阵列，构成第二金属层；所述第一金属层与所述第二金属层分别位于两个不同平面时，所述S106包括：在二氧化硅层上制备宽度为0.5～5mm、且与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触的金属纳尖阵列，构成第一金属层；在第一金属层上制备宽度为5～100mm的金属阵列，构成第二金属层。5.一种基于超表面光学天线的红外射频信号探测器，其特征在于，包括：衬底、自所述衬底上表面向上依次设置的第一掺杂层和第一二氧化硅层、自所述衬底下表面向下依次设置的第二掺杂层和第二二氧化硅层、制作于所述第一掺杂层之上与所述第一掺杂层形成肖特基接触的第一超表面光学天线层、制作于所述第二掺杂层之下与所述第二掺杂层形成肖特基接触的第二超表面光学天线层、制作于所述第一掺杂层之上与所述第一掺杂层形成欧姆接触的第一欧姆电极，制作于所述第二掺杂层之下与所述第二掺杂层形成欧姆接触的第二欧姆电极、位于所述第一二氧化硅层的上表面的第一肖特基电极和第一普通电极以及位于所述第二二氧化硅层的下表面的第二肖特基电极和第二普通电极；其中，所述第一超表面光学天线层分别与所述第一肖特基电极和所述第一普通电极相连，其内部缝隙由所述第一二氧化硅层填充；所述第二超表面光...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗俊，胡钗，魏东，张新宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：