混合维度范德华异质结室温双色红外探测器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种混合维度范德华异质结室温双色红外探测器及制备方法。器件的制备步骤是利用一定比例的氢氟酸和氟化铵制备的缓冲氧化物刻蚀液刻蚀双面抛光的Si/SiO2，形成Si窗口。利用聚碳酸亚丙酯薄膜无损转移的二维范德华材料异质结至Si窗口形成PNP(NPN)异质结构。利用光电三极管能带结构实现双波段红外信号探测，同时利用Si材料高吸光率作为近红外光敏材料和长波通滤波片来降低串扰，提升器件双波段红外响应。本发明专利技术的特点是将三维薄膜材料与二维范德华材料相结合，实现近红外/中红外室温探测，制作成本低、工艺简单易制备、探测率高、工作温度高。工作温度高。工作温度高。

【技术实现步骤摘要】
混合维度范德华异质结室温双色红外探测器及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种混合维度范德华异质结室温双色红外探测器，实现近红外/中红外双波段红外信号探测。同时利用Si材料高吸光率作为近红外光敏材料和长波通滤波片来降低串扰，提升器件双波段红外响应。具体是指利用二维范德华材料与Si形成异质结，实现双波段红外信号同时探测。从而大大提高红外探测器对于红外热源温度分辨能力的敏感性，提高器件的响应度和响应速度，降低信号串扰。

技术介绍

[0002]未来战争是以信息为主导、网络为中心、体系为支撑的智能化战争，将表现为“智能化、高速化、无人化”等特征。随着信息化对抗程度的加剧，传统单波段红外探测手段已逐渐无法适应现代化战争的需求，如舰艇及飞机中使用的抗反射涂层、导弹的红外诱饵等复杂场景对红外探测提出了更高的要求，因此需要发展具有多谱段、自适应、智能化的成像探测系统，提升对目标的自主探测识别能力。此外，在信息化战争中，人员的损耗将逐渐演变为军事装备的损耗，因此低成本的小型化设备是未来军事装备的另一大发展趋势。这要求了未来红外光电成像装备具有
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多色探测与智能识别：能够根据任务需求、环境/目标特性，对大量、复杂的光信息进行筛选与提取(自适应选择)，克服目标背景、诱饵的干扰、提升对伪装/隐身目标的反侦察能力，实现自主目标识别与攻击选择等任务；
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低成本、小型化：提高器件工作温度，摆脱笨重的制冷系统，降低探测组件成本、体积与功耗。
[0003]传统的目标探测、识别主要通过探测目标的强度图像方式实现，且光谱谱段单一，系统的灵敏度和虚警率受气象环境影响较大，不能实现全天候工作；当目标存在伪装或者遮挡物时，系统的探测识别能力将进一步降低。除了提高光电探测系统灵敏度、分辨率等基本性能指标外，还需要发展多维光信息探测能力，例如频率(谱段)、偏振、相位(时间)等信息，全面提升装备的技战术指标。双色/多色探测技术能够将多个波段的光谱信息在同一个像素上进行探测，结合集成的先进信号处理电路和融合算法，利用物质间特征光谱的差异性，实现对目标的有效识别及其智能化功能的大幅优化。例如，导弹表面与尾焰的温度相差很大，双色探测器可以同时锁定导弹表面以及导弹尾焰，排除干扰物体。因此在目标辨认、信号识别及抗干扰方面性能远远优于单色探测器。从技术发展趋势来看，双色/多色成像探测技术是未来智能化集成信息领域的重点发展方向之一。
[0004]目前，双色红外探测器的材料体系主要为碲镉汞、量子阱、II类超晶格。从20世纪90年代开始，美国、法国、英国在碲镉汞双色红外焦平面探测器研究方面开始起步，目前技术最为成熟，处于领先地位。美国的RVS公司、洛克韦尔/波音(Rockwell/Boeing)、DRS和Lockheed等著名公司都参与了研制工作。法国的CEA
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LETI和Sofradir公司联合成立了一个部门——DEFIR，专门从事第三代碲镉汞红外焦平面探测器的研发工作。此外德国的AIM公司和英国的SELEX公司也研发了第三代碲镉汞双色红外焦平面器件。目前，美国、法国等公司已成功制备多款中/长波双色红外光电探测器，技术成熟度达到8级。国内在双色碲镉汞器件研制领域的主要承担单位为中国科学院上海技术物理所，在2013年到了同时模式的
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128面阵MW/LW双色探测器。在液氮温度下，中/长波双色探测器两个波段的截止波长λc分别为5.1μm和10.1μm，并已经实现了成像验证。此外，昆明物理研究所和高德红外股份有限公司已研制出成熟的中/短波双色探测器。量子阱和超晶格材料体系的双色红外光电探测器研究者主要为德国和美国。极低温(低于碲镉汞工作温度)工作的量子阱和超晶格探测器已进入研制阶段，但技术成熟度较碲镉汞材料体系仍较低。国内中国科学院半导体所和昆明物理研究所也做出了双色红外探测器件样机。但是，目前中长波双色红外光电探测器均需较低工作温度，整机系统庞大，难以满足未来战场对于轻量化、小型化装备的需求。
[0005]为了解决上述问题本专利技术提出了一种基于三维薄膜材料与二维范德华材料相结合利用多维异质结构的近红外/中红外室温红外探测器及制备方法。我们设计了三维薄膜材料/二维范德华材料的多维复合结构，引入异质界面内建场，促进光生电子、空穴的分离。该结构实现了双波段红外信号的同时探测，降低双波段串扰。本专利技术的特点是将三维薄膜材料与二维范德华材料相结合，制作成本低、工艺简单易制备、响应度高、串扰低、工作温度高。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种基于三维薄膜材料结合二维范德华材料异质结构的近红外/中红外室温红外探测器及制备方法。我们设计了三维薄膜材料/二维范德华材料的多维复合结构，引入异质界面内建场，促进光生电子、空穴的分离。该结构有效降低波段串扰，利用双面抛光薄膜材料的背后入射特点，降低光学串扰，实现低串扰高性能双波段红外探测器。提高了器件的响应速度，响应度和工作温度，并且制作成本低、制作工艺简单。一种基于三维薄膜材料与二维范德华材料相结合的室温双波段红外探测器，其特征在于：
[0007]所述的在硅衬底1上是二氧化硅绝缘层2、在二氧化硅绝缘层2上转移有第一种二维范德华材料3，第一种二维范德华材料上转移有第二种二维范德华材料4，在第一种二维范德华材料3和第二种二维范德华材料4分别由源或漏电极5，并保证每个电极有部分裸露在外；
[0008]所述的的三维薄膜光敏材料衬底1是P型Si衬底；
[0009]所述的SiO2绝缘氧化层2厚度是260nm；
[0010]所述的第一种二维范德华材料3为n型二硫化钼；
[0011]所述的第二种二维范德华材料4为p型黑磷
[0012]所述的源或漏电极5是金属铬Cr和金Au，厚度分别是5
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15nm和30
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50nm；
[0013]2.本专利技术的一种基于三维薄膜材料与二维材料相结合的室温高性能双色红外探测器，其特征在于方法步骤如下：
[0014]1.10ml，40％HF溶液与47ml，40％NH4F溶液混合配置1:6的缓冲氧化物刻蚀液
[0015]2.利用光刻胶作为掩膜版，使用电子束曝光出腐蚀窗口。显影后使用方法1中配置的腐蚀200s。
[0016]3.利用聚碳酸亚丙酯薄膜无损转移的二维范德华材料异质结至Si窗口形成PNP或NPN异质结构。对异质结进行厚度、拉曼、SEM测试表征
[0017]4.利用电子束曝光EBL技术，对样品利用预先沉积的金属坐标进行定位，利用热蒸镀和剥离等技术沉积铬和金作为源、漏电极，形成两端金属接触的场效应晶体管。
[0018]5.在完成金属电极制备后，以光刻胶为掩模，曝光电极窗口。利用光刻胶保护材料不被氧化。
[0019]该方法利用三维薄膜材料与二维范德华材料形成异质结处产生的内建电场，促进光生电子、空穴的分离。双波段光响应光生载流子被能带结构有效分离，分别被两端电极收集。该结构有效克服了集成双色探测器中串扰问题。背后入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合维度范德华异质结室温双色红外探测器，其特征在于：在三维薄膜光敏材料衬底(1)上是二氧化硅绝缘层(2)、在二氧化硅绝缘层(2)上转移有第一种二维范德华材料(3)，第一种二维范德华材料上转移有第二种二维范德华材料(4)，在第一种二维范德华材料(3)和第二种二维范德华材料(4)分别由源或漏电极(5)，并保证每个电极有部分裸露在外；所述的三维薄膜光敏材料衬底(1)是P型Si衬底；所述的二氧化硅绝缘氧化层(2)厚度是260nm；所述的第一种二维范德华材料(3)为n型二硫化钼；所述的第二种二维范德华材料(4)为p型黑磷；所述的源或漏电极(5)是金属铬Cr和金Au复合电极，厚度分别是5
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡伟达，吴培松，王鹏，李庆，张莉丽，王芳，谢润章，苗金水，王振，贺婷，付晓，陈效双，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：