一种耐强光的陶瓷纳米结构增强型4H-SiC基光功率计制造技术

本发明专利技术公开了一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H

【技术实现步骤摘要】
一种耐强光的陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计


[0001]本专利技术属于半导体光电领域，具体涉及一种耐强光的陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计。

技术介绍

[0002]目前市场上常见的光功率计主要有两类，一类基于光
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热
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电原理，一类基于光
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电原理。基于光
‑
热
‑
电原理的光功率计又包括热敏电阻型功率计和热电偶型功率计两种。热敏电阻型功率计利用热敏电阻做光功率传感元件，被测光信号的功率被热敏电阻吸收后产生热量，使其自身温度升高引发电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化量，从而可以换算得到入射光的功率值。热电偶型功率计则是利用热电偶型功率计中的热偶结直接吸收入射光信号的功率，结点温度升高，产生温差电势，电势的大小正比于吸收的光功率值，从而实现测量光功率的目的。基于光
‑
热
‑
电原理的光功率计可测量的光谱范围很宽，还可测量强光，但其不足之处在于从光信号到热信号的转化过程耗时过长，限制了功率测量的速度。与之相比，基于光
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电原理的光功率计利用光生伏特或光电导效应，将光信号直接转化为电信号，在测量速度方面有显著优势，但其不足之处在于，能测量的光谱范围由半导体材料的带隙决定，例如硅光功率计只能用于测量波长比1.1微米短的入射光的功率。此外，基于光电原理的光功率计在强光照射下会出现信号饱和行为，不适用于测量强激光的功率。例如，Thorlabs公司的一款硅二极管光功率计(型号：S130C)能测的最强光强仅为500mW，而使用积分球后，其可测量最强光强被提升至5W，远低于基于光
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热
‑
电原理的光功率计可测量的最强光强(型号：S322C，200W)。
[0003]本专利提出一种基于光电原理的耐强光全光谱光功率计，一方面可以弥补基于光电原理的传统光功率计不耐强光、光谱范围窄的问题，同时还能解决基于光
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热
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电原理的传统光功率计响应速度较慢的问题。本专利所选择的半导体材料为碳化硅(4H
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SiC)，这是一种具有优异耐辐照性能的材料。已有研究表明，Si光电探测器经200W/m2的254nm紫外线照射208h之后，输出电流下降了40％，而同样光照下，4H
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SiC器件几乎检测不到任何变化(文献：量子电子学报2014,3(4),389
‑
501)。遗憾的是，受到禁带宽度的限制，4H
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SiC光电探测器无法对光子能量大于其带隙的可见光及红外光做出响应。利用表面等离激元增强型内光电发射效应可以拓宽4H
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SiC光电探测器的响应波段。2021年，崔艳霞等人公开了一种碳化硅基光电探测器(专利号CN202110270328.5)，该器件利用金、银等贵金属材料制成的纳米结构激发表面等离激元效应产生热载流子，利用热载流子的内光电效应，将器件的响应光谱范围拓展至紫外
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可见
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近红外全光谱。
[0004]在专利CN202110270328.5的基础上，本专利技术进一步提出，将其中的金(Au)、银(Ag)等贵金属纳米结构替换为氮化钛(TiN)陶瓷纳米结构，以提升探测器的耐强光能力，并用其开发一款新型的全光谱光功率计。金的热容系数分别为129J/(kg*K)，TiN的热容系数为591J/(kg*K)，TiN较高的热容系数使其在吸收相同功率的入射光之后，温度升高值较之Au更低。其次，TiN可以耐2000℃以上的高温，物理、化学稳定性均非常高，因此它被归在陶瓷
类。关键在于，TiN与普通的陶瓷不同，表现出金属性，其载流子浓度非常高，在10
22
cm
‑3量级。基于此，TiN已经在CMOS工艺中作为一种取代Au的廉价方案，广泛用于制作导电类薄膜。TiN也可以激发类似贵金属的表面等离激元效应。2014年，美国Purdue大学的Li等人制作了基于TiN的宽带光吸收体，通过激发宽谱表面等离激元效应，该器件在400nm至800nm波长范围内表现出优于同样结构的Au、Ag器件的光吸收性能；测试还表明，该样品在800℃高温条件退火之后几乎没有发生任何形变，而同样结构的Au器件却已经完全退化(文献：Advanced Materials 2014,26,7959)。因此，在4H
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SiC基金属
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半导体
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金属(MSM)光电探测器中，使用TiN陶瓷纳米结构代替金(Au)、银(Ag)等贵金属纳米结构激发表面等离激元热载流子，可以实现强光耐受能力十分优异的紫外
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可见
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近红外全光谱光功率计，其最强耐受光强将达到基于光
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热
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电原理的光功率计的最高水平(200W)。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供了一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，本专利技术将碳化硅
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氮化钛宽谱响应光电探测器应用于光功率计，从根本上拓宽光功率计的可测量功率范围和实现强光环境下的探测，可被广泛应用于各个光学测量领域。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术采取的技术方案是这样实现的：一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，其特征在于：包含TiN陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基MSM光电探测器、电流测量模块、控制/通信/运算/显示模块与电源模块。其中TiN陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基MSM光电探测器包含碳化硅基底、氮化钛陶瓷纳米结构和氮化钛陶瓷对电极。
[0007]所述碳化硅基底的硅面上设置有金属电极和表面等离激元纳米结构结构，所述金属对电极设置在碳化硅基底上，所述表面等离激元纳米结构设置在金属对电极之间，所述表面等离激元纳米结构包括多个均匀分布于碳化硅基底的硅面上的氮化钛陶瓷纳米颗粒，所述金属对电极与碳化硅基底之间形成肖特基接触。
[0008]进一步地，所述碳化硅基底为半绝缘4H型碳化硅，其电阻率在1e9 ohm
·
cm至1e14ohm
·
cm之间。
[0009]进一步地，氮化钛陶瓷纳米结构通过阳极氧化铝双通模板辅助制得，纳米结构呈圆柱状，圆柱的平均直径为50
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200nm，圆柱与圆柱之间间隙的平均大小在80
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500nm，圆柱阵列在10μm2范围内短程有序，呈六角密排状。
[0010]进一步地，所述氮化钛陶瓷顶电极保形覆盖氮化钛陶瓷纳米结构，具有5nm
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15nm的超薄厚度，允许光透过，以激发表面等离激元效应；氮化钛陶瓷底电极厚度为80nm
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，其特征在于：包含氮化钛陶瓷纳米结构增强型碳化硅基光电探头、电流测量模块、控制模块、通信模块、运算模块、显示模块、存储模块与电源模块；其中，氮化钛陶瓷纳米结构增强型碳化硅基光电探头包含碳化硅基底、氮化钛陶瓷纳米结构和氮化钛陶瓷对电极(顶电极和底电极)。2.根据权利要求1所述的一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，其特征在于：所述碳化硅基底为半绝缘4H型碳化硅，其电阻率在1e9ohm
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cm至1e14ohm
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cm之间，氮化钛陶瓷纳米结构制作于4H型碳化硅基底的硅面上。3.根据权利要求1所述的一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，其特征在于：所述氮化钛陶瓷对电极以一个氮化钛陶瓷电极位于碳化硅基底硅面之上，称之为顶电极，另一个氮化钛陶瓷电极位于碳化硅基底的碳面一侧，称之为底电极，构成垂直结构氮化钛陶瓷增强型碳化硅基光电探头。4.根据权利要求1所述的耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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SiC基光功率计，其特征在于：所述氮化钛陶瓷顶电极保形覆盖氮化钛陶瓷纳米结构，具有5nm
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15nm的厚度，允许光透过，以激发表面等离激元效应；氮化钛陶瓷底电极厚度为80nm
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200nm，不透光，以提高光子利用率。5.根据权利要求1所述的一种耐强光陶瓷纳米结构增强型4H
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Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿路路，崔艳霞，翟爱平，李国辉，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：