一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器制造技术

本发明专利技术涉及光电传感技术领域，为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，公开了一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含底部导电电极、金属光栅和顶部导电电极；金属光栅和底部导电电极之间有一层钛薄膜作为粘附层；金属光栅连接到顶部导电电极；硅背面设有底部导电电极；通过将金属光栅完全嵌入硅基底的方式进一步地提高了金属的光吸收效率和热电子产生率，其中光吸收率能达到接近100%，减少了热电子的热化损失，进而提升了光电探测器的响应度；调节金属光栅周期可改变探测器的响应波长，实现了波长可调的近红外光电探测器。的近红外光电探测器。的近红外光电探测器。

【技术实现步骤摘要】
一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器


[0001]本专利技术涉及光电传感
，具体涉及一种基窄带近红外热电子光电探测器。

技术介绍

[0002]近年来，近红外光电探测一直是人们重点关注的研究方向。近红外光电探测器一般具有灵敏度高、空间分辨率好、动态范围大、抗干扰能力强以及能在恶劣环境下昼夜工作等特点，因此红外光电探测器在侦察、夜视、制导和热成像等领域应用广泛。红外光电探测器的广泛的应用，让人们对高性能的光电探测器的需求越来越大。基于肖特基结的热电子光电探测器相较于传统的光电探测器，由于可以突破半导体禁带的限制，将能量低于半导体带隙的光子转换为电能，可以实现室温运行、零偏压和低于半导体带隙的红外光电探测。 然而，由于热电子的光致发射过程效率比较低，热电子光电探测器的响应度有待提高。发展新型的光电转换技术和开发新型光电探测器是提高社会生产水平和国家科技水平的迫切需要。
[0003]2012年，Ali Sobhani等人首次报告了一种基于金属光栅结构的肖特基光电探测器，相比于早期的基于纳米天线的光电探测器响应度大幅度增加，实现了通过改变光栅周期实现对波长的调控。2013 年，Knight 等人制备了一种嵌入式的金硅肖特基结光电探测器，增大了肖特基接触面的面积，减少了热电子在传输过程中的损耗。2014年Wei Li等人提出了一种基于金属超材料完美吸收体的宽带热电子光电探测器，实现了全方向、偏振不敏感和较高的光电响应特性。同年11月，Sencer Ayas等人采用连续X射线和激光激发非接触X射线的光电子能谱技术研究了等离子体MIM结构中的热电子效应。估算了在445nm光照下，宽面积等离子体MIM表面的响应度为500 nA/W。 2015年，Desiatov等人利用 KOH 湿法刻蚀工艺将硅片腐蚀成金字塔形状，并在金字塔顶端覆盖超薄铝膜，制备了一种铝/硅肖特基结近红外光电探测器。 硅金字塔阵列大范围地收集光，并将光汇聚在金字塔顶端极小的有源像素区，在0.1 V偏压下，1064、1300、1550 nm 的响应度分别达到了5、12、30 mA/W。该结构响应度的提升不仅是因为金字塔结构的陷光作用提高了外量子效率，而且因为金字塔顶端的铝纳米尖端的表面等离激元效应缓解了热电子注入过程的动量失配问题，使热电子有更大的概率从铝注入到相邻的硅材料中，提高了内量子效率。同年，吴凯等人设计了金属
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半导体
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金属（MSM）光栅结构的等离子体热电子光电检测系统。他们利用了无掺杂带宽隙的半导体代替绝缘体，这样有利于电子的传输和收集。在未施加外部偏压的情况下，器件的光响应度可达到0.021 mA/W。此外，基于共形光栅结构的热电子光电探测器具有高度的波长可调谐性。2017年，Lang Shen等人报告了基于金属
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三氧化二铝
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石墨烯（MIM）异质结构的光电探测器，其为提高光电响应，底部的金电极被制成间距为500nm的光栅结构。同年，暨南大学的陈沁等人发现两种不同方向的光照模式对器件内量子效率具有影响，在硅上集成等离激元吸收体是一种金膜覆盖的硅纳米孔洞 (Si nanoholes，SiNHs) 结构，当1100~1900 nm 波段的近红外光从背面(无金膜覆盖面)入射时，器件的反射率均低于5%，保证了近红外通信波段的高外量子效率。目前，各国都在大力推进二类超晶格等新材料红外探测器的研发
和验证，从激光探测、低成本高清晰昼夜成像等出发，再认识和发展InGaAs红外探测器。美、英、法、德、以色列等西方国家已建立起以蹄镉汞、锑化铟材料为主的先进设计制造平台，以蹄镉汞、锑化铟材料为主二代红外探测器批量装备应用。以超大面阵、双色、数字化、低成本为特征的三代红外探测器日渐成熟，正在大力推进工程应用。以VO
x
、α
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Si为主的非制冷红外焦平面器件在民用及低成本领域大量应用。
[0004]然而，现在大多数相关的研究都基本还是基于传统的光栅结构。使用嵌入式光栅结构，很有可能实现器件更高的光响应度和光电转换效率。为了设计出更加有效的热电子光电探测器，需要对各种问题进行研究，包括光栅是否对称、金属嵌入的深度、光栅周期大小、金属宽度、金属厚度对金属吸收率、共振波长位置、热电子产生和吸收效率的影响等。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，提出一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用如下技术方案：一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含底部导电电极、钛薄膜、硅基底，金属光栅、顶部导电电极；所述硅基底的底部连接底部导电电极，所述硅基底的顶部表面设置有向内凹陷的光栅槽，光栅槽中依次填充钛薄膜、金属光栅；所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅。
[0006]上述方案中金属光栅位于最上层，底部导电电极为最下层，且此处的“上、下”仅为各个部件之间位置关系的描述，并不限定整体结构的状态。
[0007]本专利技术的一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用金属材料作为吸光层，通过将光栅嵌入硅基底进一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，提高了热电子转移到硅中的收集效率。通过改变金属光栅周期可调节探测器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。
[0008]进一步地，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。
[0009]优选金属材料可以为金、银和铜中的一种，且所述金属光栅厚度为50~150 nm；所属金属光栅宽度为280
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360nm。
[0010]进一步地，所述位于硅基底上层的钛薄膜层厚度为1~5 nm。
[0011]进一步地，所述硅基底背面的底部导电电极材质为铝，铟中的一种。
[0012]进一步地，所述金属光栅的光栅周期为400
±
50nm。
附图说明
[0013]图1：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器结构前视图；图2：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属宽度下的光学吸收率对比图；图3：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属宽度下的光学吸收率面图；图4：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属厚度下的光学吸收率面图；
图5：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属嵌入深度下的光学吸收率面图；图6：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器响应度曲线图；图中：1为硅基底，2为钛超薄膜，3为金属光栅，4为顶部导电电极，5为底部导电电极。
具体实施方式
[0014]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于：包含底部导电电极、钛薄膜、硅基底，金属光栅、顶部导电电极；所述硅基底的底部连接底部导电电极，所述硅基底的顶部表面设置向内凹陷的光栅槽，光栅槽中依次填充为钛薄膜、金属光栅；所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅。2.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。3.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述硅基底背面的底部导电电极材质为铝、铟中的一种；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜、铝。4.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄...

【专利技术属性】
技术研发人员：张程，黄亮杰，龚靖轩，张文，陈阳，朱鹏，李孝峰，朱忻，
申请(专利权)人：苏州矩阵光电有限公司，
类型：发明
国别省市：