金刚石NV色心光电传感器、阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种金刚石NV色心光电传感器、阵列及其制备方法，所述光电传感器包括金刚石衬底、外延生长在金刚石衬底表面的掺氮外延层、设置在掺氮外延层上表面的滤光膜和生长在滤光膜表面的光电传感器。所述制备方法为在金刚石衬底上首先制作产生NV色心的金刚石柱，然后进行平面填充后，制作滤光膜和光电传感器，最后将平面填充的的材料去除，得到金刚石NV色心光电传感器阵列。本发明专利技术制备的金刚石NV色心光电传感器实现了微小尺寸的集成和批量化生产。化生产。化生产。

【技术实现步骤摘要】
金刚石NV色心光电传感器、阵列及其制备方法


[0001]本专利技术属于金刚石色心传感器制备
，尤其涉及一种金刚石NV色心光电传感器、阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]金刚石中NV色心是由金刚石中替位氮原子和邻近的碳空位组成的缺陷结构，NV色心在激光(如532nm)的泵浦下，表现出较强的荧光，其中NV的荧光非常稳定，是一种良好的单电子源。
[0003]金刚石NV色心具有各种优良性质的固态单自旋量子体系、稳定的能级结构和优越的发光特性，能被激光和微波操控，借助NV色心可以实现磁场、温场、微波场的测量，可实现高灵敏度物理量探测，广泛应用于微弱磁场、电场、应力以及温度、压强等物理量的精密测量。在室温大气条件下，就能用激光初始化和读出NV电子的自旋状态，具有优异的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间，是目前最成功的自旋磁共振体系之一。
[0004]传统金刚石NV色心使用方法为在单块金刚石色心上制备一个传导结构，然后配合滤光片、光电传感器使用，实现各参数的测量。其中金刚石NV色心、滤光片、光电传感器都为单一的产品，体积较大，不能有效集成。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种金刚石NV色心光电传感器、阵列及其制备方法，以实现金刚石NV色心、滤光片和光电传感器的微缩集成。
[0006]一方面，本专利技术实施例提供了一种金刚石NV色心光电传感器，包括：
[0007]金刚石衬底，金刚石衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；
[0008]掺氮外延层，外延生长在金刚石衬底的第一表面，掺氮外延层经活化产生NV色心；
[0009]滤光膜，设置在掺氮外延层的上表面，滤光膜用于过滤532nm的激光；
[0010]光电传感器，光电传感器包括生长在滤光膜表面的P型衬底层和设置在P型衬底层内的N阱，N阱包括第一区域和第二区域，在第一区域形成P
+
层、并在P
+
层上设有阳极电极，在第二区域设有阴极电极。
[0011]本专利技术实施例提供的金刚石NV色心光电传感器，所述滤光膜用于过滤532nm的激光，集成在金刚石NV色心上的光电传感器用于将通过NV色心的光信号转成电信号，并通过阳极电极和阴极电极与外部系统连接，实现信号传输。与现有技术相比，本专利技术实施例将金刚石NV色心、滤光膜和光电传感器集成到金刚石衬底上，实现了微小尺寸的集成。
[0012]另一方面，本专利技术实施例提供了一种金刚石NV色心光电传感器阵列，由上述金刚石NV色心光电传感器按照预设规律在金刚石衬底上阵列而成。
[0013]本专利技术实施例提供的金刚石NV色心光电传感器阵列，可实现多组微小尺寸传感器的集成，提升所探测外界磁场、温场、微波场位置、距离、强度、方向等信息精度。
[0014]第三方面，本专利技术实施例还提供了一种金刚石NV色心光电传感器阵列的制作方
法，包括：
[0015]提供金刚石衬底，并抛光；
[0016]在金刚石衬底上制作掺氮外延层，对掺氮外延层进行刻蚀，形成掺氮金刚石柱的阵列，对掺氮金刚石柱进行活化处理，在掺氮金刚石柱内形成NV色心；
[0017]在所述掺氮金刚石柱的周侧面蒸镀高反射率膜、上表面制备滤光膜；
[0018]在滤光膜的上表面生长P型衬底层，在P型衬底层上制备N阱；将N阱分为第一区域和第二区域，在第一区域制备P
+
层、并在P
+
层上制备阳极电极，在第二区域制备阴极电极，形成多个NV色心光电传感器阵列。
[0019]本专利技术实施例采用单晶块状金刚石，在其表面外延出掺氮金刚石层，再进行金刚石柱状阵列的刻蚀制备，通过高能电子辐照及真空退火，形成掺氮金刚石柱NV色心阵列，再于掺氮金刚石柱侧面蒸镀高反射镀膜，将荧光限制在金刚石柱的NV色心中，再在掺氮金刚石柱NV色心阵列上端制备滤光镀膜，过滤532nm激光，最后在柱状金刚石NV阵列上制备光电探测器。其采用CMOS工艺在金刚石NV色心上集成了光电探测器，实现金刚石NV色心光电传感器件的批量化低成本制备。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1是本专利技术实施例提供的一种金刚石NV色心光电传感器结构示意图；
[0022]图2是本专利技术实施例提供的一种金刚石NV色心光电传感器阵列的结构示意图；
[0023]图3是图2的俯视结构示意图。
[0024]图4是本专利技术实施例提供的一种金刚石NV色心阵列制备的流程示意图；
[0025]图5是本专利技术实施例提供的一种单个掺氮金刚石柱上制备光电传感器的流程示意图。
[0026]图6是金刚石NV色心光电传感器阵列应用的一种实施例。
[0027]图中：1-金刚石衬底，2-掺氮外延层，3-掺氮金刚石柱，4-高反射率膜，5-易刻蚀材料，6-滤光膜，7-Si层，8-P型衬底层，9-N阱，10-P
+
层，11-阴极电极，12-阳极电极，13-激光，14-锁相放大器，A-金刚石NV色心光电传感器。
具体实施方式
[0028]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本专利技术的描述。
[0029]本专利技术实施例采用CMOS工艺将金刚石NV色心、滤光膜和光电传感器三者实现微小尺寸的集合。
[0030]作为本专利技术的一种实施例，一种金刚石NV色心光电传感器，如图1所示。其包括金
刚石衬底1、掺氮外延层2、滤光膜6和光电传感器。所述金刚石衬底1包括相对设置的第一表面和第二表面；所述掺氮外延层2外延生长在金刚石衬底1的第一表面，掺氮外延层2经活化产生NV色心；
[0031]所述滤光膜6设置在掺氮外延层2的上表面，滤光膜6用于过滤532nm的激光。所述光电传感器包括生长在滤光膜表面的P型衬底层8和设置在P型衬底层内的N阱9，N阱9包括第一区域和第二区域，在第一区域形成P
+
层10、并在P
+
层10上设有阳极电极12，在第二区域设有阴极电极11。
[0032]上述金刚石NV色心光电传感器，通过将金刚石NV色心、滤光膜6和光电传感器集成到金刚石衬底1上，实现了微小尺寸的集成。
[0033]具体地，金刚石衬底1的材料包括但不限于单晶金刚石，还可以是多晶金刚石、非晶金刚石、微米晶金刚石或纳米晶金刚石。
[0034]所述掺氮外延层2的厚度为0.1-0.5mm，掺氮浓度为1ppm～500p本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石NV色心光电传感器，其特征在于，包括：金刚石衬底，所述金刚石衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；掺氮外延层，外延生长在所述金刚石衬底的第一表面，所述掺氮外延层经活化产生NV色心；滤光膜，设置在所述掺氮外延层的上表面，所述滤光膜用于过滤532nm的激光；光电传感器，所述光电传感器包括生长在所述滤光膜表面的P型衬底层和设置在所述P型衬底层内的N阱，所述N阱包括第一区域和第二区域，在所述第一区域形成P
+
层、并在所述P
+
层上设有阳极电极，在所述第二区域设有阴极电极。2.如权利要求1所述的金刚石NV色心光电传感器，其特征在于，所述掺氮外延层的周侧面还蒸镀有高反射率膜。3.如权利要求2所述的金刚石NV色心光电传感器，其特征在于，在所述高反射率膜的表面还设有防氧化层或遮光层。4.如权利要求1所述的金刚石NV色心光电传感器，其特征在于，所述滤光膜材料为HfO2、SiO2、ZrO2、Y2O3、Al2O3、Si3N4、AlF3、MgF2、Al、Ni中的任意一种或多种的组合。5.一种金刚石NV色心光电传感器阵列，其特征在于，由权利要求1-4任一项所述的金刚石NV色心光电传感器按照预设规律在所述金刚石衬底上阵列而成。6.一种金刚石NV色心光电传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供金刚石衬底，并抛光；在所述金刚石衬底上制作掺氮外延层，对所述掺氮外延层进行刻蚀，形成掺氮金刚石柱的阵列，对所述掺氮金刚石柱进行活化...

【专利技术属性】
技术研发人员：高学栋，冯志红，蔚翠，郭建超，周闯杰，何泽召，刘庆彬，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：