CN104218116B - 基于超材料的远红外单谱信号探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的远红外单谱信号探测器，包括自下而上依次设置的衬底层、N型砷化镓层、二氧化硅层与超材料层、欧姆电极和肖特基电极。超材料层为具有周期性微纳米结构的金属开环共振单元阵列，所述金属开环共振单元阵列包含了一种图形及其特征尺寸参数，该图形对于远红外电磁波具有完全吸收特性，通过改变金属开环共振单元的结构和尺寸参数可以调控对应的电磁波吸收频段，通过改变N型砷化镓的耗尽层宽度可以调控超材料层中金属开环共振单元阵列的电磁波吸收强度。本发明具有高灵敏度和高速特性，通过选择特定金属开环共振单元结构可以将探测器工作于远红外的一个特定波段。

Description

基于超材料的远红外单谱信号探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于信号探测技术领域，更具体地，涉及一种基于超材料的远红外单谱信号探测器及其制备方法。
背景技术
远红外探测在机场安检系统、材料检测、空间信号探测、航天航空和工农业生产等众多领域都有着广泛地应用。常见的远红外探测器主要包括温度探测器、高温超导探测器，以及由硅或砷化镓制成的半导体探测器。这几类探测器原理成熟，已经实用化。
然而，在要求高速和高灵敏度信号探测的场合下，现有远红外探测器存在以下问题：1、远红外探测器的谱成像装置仍需配置复杂精密的饲服、驱动或扫描机构，体积和质量大；2、远红外探测器响应速度较慢；3、远红外探测器光谱探测波长不能更改。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超材料的远红外单谱信号探测器及其制备方法，其目的在于，解决现有远红外信号探测器中存在的体积大、响应慢、光谱探测波长不能更改的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超材料的远红外单谱信号探测器，包括自下而上依次设置的衬底层、N型砷化镓层、二氧化硅层、超材料层、欧姆电极和一对肖特基电极，欧姆电极和肖特基电极分别设置于超材料层的左右两端，超材料层为具有周期性微纳米结构的金属层，用于完全吸收远红外电磁波，超材料层包括一个金属开环共振单元阵列，每个金属开环共振单元的开孔间距t＝80～200nm，线宽d＝200～600nm，周期L＝500～2000nm。
优选地，衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝。
优选地，欧姆电极5的材料是镍、锗以及金，其厚度分别为20-30nm、200-300nm和20-30nm。
优选地，肖特基电极的材料为钛和金，其厚度分别为20-30nm和200-250nm。
优选地，超材料层与N型砷化镓层形成肖特基接触。
优选地，当超材料层用于电磁信号探测时，其采用的周期性微纳米结构的周期远小于电磁信号的波长。
优选地，金属开环共振单元制作材料为钛和金，其厚度分别为20～30nm和200～250nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于超材料的远红外单谱信号探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入Si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成N型砷化镓层；
(2)在N型砷化镓层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
(3)在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔，并使用湿法腐蚀对欧姆电极接触孔进行腐蚀处理，通过负胶工艺光刻欧姆电极，采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，将Ni/Ge/Au层进行剥离，从而形成具有Ni/Ge/Au层的欧姆电极，对具有该Ni/Ge/Au层的欧姆电极退火，以形成欧姆电极；
(4)在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔，并使用湿法腐蚀对肖特基接触孔进行腐蚀处理，以腐蚀二氧化硅层，通过负胶工艺光刻肖特基电极，采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，将Ti/Au层进行剥离，从而分别形成具有Ti/Au层的超材料层和肖特基电极，其中超材料层直接与N型砷化镓层接触，肖特基电极设置于二氧化硅层上，且肖特基电极和超材料层之间的距离为1mm～1.5mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器体积小：由于所述超材料的制作采用微纳米光刻工艺，在1mm2尺寸内可以集成数千个金属开环共振单元，因此基于超材料的远红外单谱信号探测器体积很小、重量很轻；
2、本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器响应速度较快：由于超材料层的金属开环共振单元具有完全吸收对应波段电磁信号的能力，一旦与对应远红外波段信号产生共振，其共振响应速度属于超高速响应，能够在极短时间内产生响应信号。
3、本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器只需要交流信号发生器等少量电子资源辅助其进行工作，从而节省了外围电路资源。
4、本发明可以通过修改金属开环共振单元的图形参数，改变金属开环共振单元的共振频率，因此提供了一种可根据实际需要改变信号探测波长的能力。
附图说明
图1是本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器的纵向剖面示意图。
图2是本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器的俯视示意图。
图3是本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器的超材料层中金属开环共振单元阵列的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的基本思路在于，本发明可根据所设计的金属开环共振单元对应的电磁共振频率，通过超材料层中的金属开环共振单元的电磁共振导致金属发热改变金属电阻率实现电磁波信号的能量收集，并通过外接交流信号将电阻率的变化提取出来，从而探测特定远红外信号。
如图1所示，本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器包括自下而上依次设置的衬底层1、N型砷化镓层2、二氧化硅层3、超材料层4、欧姆电极5和一对肖特基电极61和62。其中，N型砷化镓层2设置于衬底层1上面，二氧化硅层3设置于N型砷化镓层2上面，超材料层4设置于N型砷化镓层2上面，欧姆电极5设置于N型砷化镓层2上面，肖特基电极6设置于二氧化硅层3上面，欧姆电极5和一对肖特基电极61和62分别设置于超材料层4的左右两端。
超材料层4为具有周期性微纳米结构的金属层，该周期性微纳米结构的金属层包含一种图形及其特征尺寸参数，其对于远红外电磁波具有完全吸收特性。
衬底层可选用但不限于半绝缘砷化镓，还可以是硅、三氧化二铝等。
肖特基二极管的欧姆电极5可选用但不限于镍、锗、金，其厚度优选为20-30nm、200-300nm和20-30nm；肖特基电极61和62可选用但不限于钛、金，其厚度优选为20-30nm和200-250nm。
超材料层4由周期性微纳金属结构构成，其与N型砷化镓层2形成肖特基接触，具有对远红外电磁波的完全吸收性能，可以通过调整周期性微纳金属结构的尺寸对其工作波段进行优化。
当超材料层4用于电磁信号探测时，超材料层4采用的周期性微纳米结构的周期应该远小于对应信号的波长，从而满足亚波长器件的实际工作性能。
如图2所示，超材料层4包括一个金属开环共振单元阵列41，其中41的共振频率对应于一个特定的远红外波长。为了清晰地展示工作于远红外波段的超材料结构和特征尺寸参数，本实施例将超材料层4中的金属开环共振单元阵列41进行了放大，如图3所示。41的金属开环共振单元制作材料为钛、金，厚度分别为20～30nm和200～250nm，与N型砷化镓层2形成肖特基接触，当工作于远红外波段时，开孔间距t＝80～200nm，线宽d＝200～600nm，外围宽度L＝500～2000nm，中间连线倾角θ＝0～90度，中间连线长度p＝300～2000nm，中间连线宽度f≤d/4。
上述由一种图形组成的金属开环共振单元阵列等效为一个LC共振电路，当目标电磁波信号7垂直入射到超材料层4后，这些LC共振电路将与远红外波段内特定波长的电磁波产生共振，吸收入射电磁波7中相应波长的能量，进而使得金属开环共振单元发热升温，由于金属开环共振单元中间连接线区域又细又长，共振时的表面电流经过该区域时由于电阻的突然变大必然导致温度迅速升高，从而迅速改变金属开环共振单元金属的电阻率；通过施加2V交流电压于一对肖特基电极61和62上，当交流电压峰峰值变化幅度超过设定阈值时，表明该金属开环共振单元探测到了对应波长的信号；通过施加0～5V反向直流偏压于肖欧姆电极5上，使得超材料层4的金属与N型砷化镓层2接触区域的耗尽层宽度增大，提高超材料层4对入射电磁波7的吸收效率，并进一步增大金属开环共振单元的电阻率，从而使得肖特基电极61和62检测到的交流电压峰峰值更加明显，实现远红外单谱信号的探测。
本发明基于超材料的远红外单谱信号探测器的制备方法包括如下步骤：
(1)在衬底层1上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入Si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成N型砷化镓层2，其厚度为1um～2um；
(2)在N型砷化镓层2上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层3，其厚度为300nm～400nm；
(3)在二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔，并使用湿法腐蚀对欧姆电极接触孔进行腐蚀处理，通过负胶工艺光刻欧姆电极，再采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层(其厚度分别为20-30nm/200-300nm/20-30nm)，将Ni/Ge/Au层进行剥离，从而形成具有Ni/Ge/Au层(其厚度分别为20-30nm/200-300nm/20-30nm)的欧姆电极，对具有该Ni/Ge/Au层的欧姆电极退火，以形成欧姆电极5；
(4)在二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔，并使用湿法腐蚀对肖特基接触孔进行腐蚀处理，以腐蚀二氧化硅层3，通过负胶工艺光刻肖特基电极，采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层(其厚度分别为200-250nm/20-30nm)，将Ti/Au层进行剥离，从而分别形成具有Ti/Au层(其厚度分别为200nm/20nm)的超材料层4和肖特基电极61、62，其中超材料层4直接与N型砷化镓层2接触，肖特基电极61、62设置于二氧化硅层3上，且肖特基电极61、62和超材料层4之间的距离为1mm～1.5mm。
因此，本发明采用了肖特基二极管结构，其以超材料层的金属开环共振单元阵列作为完全吸光介质，通过电阻率的变化导致交流信号峰峰值的改变获得信号探测能力；通过上述制备方案集成于以单片砷化镓为衬底的肖特基二极管中，实现远红外单谱信号探测器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超材料的远红外单谱信号探测器，包括自下而上依次设置的衬底层、N型砷化镓层、二氧化硅层、超材料层、欧姆电极和一对肖特基电极，其特征在于，欧姆电极设置于N型砷化镓层上面，肖特基电极设置于二氧化硅层上面，欧姆电极和肖特基电极分别设置于超材料层的左右两端，超材料层为具有周期性微纳米结构的金属层，用于完全吸收远红外电磁波，超材料层包括一个金属开环共振单元阵列，每个金属开环共振单元的开孔间距t＝80～200nm，线宽d＝200～600nm，周期L＝500～2000nm，中间连线长度p＝300～2000nm，中间连线宽度f≤d/4，超材料层与N型砷化镓层形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的远红外单谱信号探测器，其特征在于，衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝。
3.根据权利要求1所述的远红外单谱信号探测器，其特征在于，欧姆电极5的材料是镍、锗以及金，其厚度分别为20-30nm、200-300nm和20-30nm。
4.根据权利要求1所述的远红外单谱信号探测器，其特征在于，肖特基电极的材料为钛和金，其厚度分别为20-30nm和200-250nm。
5.根据权利要求1所述的远红外单谱信号探测器，其特征在于，当超材料层用于电磁信号探测时，其采用的周期性微纳米结构的周期远小于电磁信号的波长。
6.根据权利要求1所述的远红外单谱信号探测器，其特征在于，金属开环共振单元制作材料为钛和金，其厚度分别为20～30nm和200～250nm。
7.一种根据权利要求1至6中任意一项所述的基于超材料的远红外单谱信号探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入Si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成N型砷化镓层；
(2)在N型砷化镓层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
(3)在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔，并使用湿法腐蚀对欧姆电极接触孔进行腐蚀处理，通过负胶工艺光刻欧姆电极，采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，将Ni/Ge/Au层进行剥离，从而形成具有Ni/Ge/Au层的欧姆电极，对具有该Ni/Ge/Au层的欧姆电极退火，以形成欧姆电极；
(4)在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔，并使用湿法腐蚀对肖特基接触孔进行腐蚀处理，以腐蚀二氧化硅层，通过负胶工艺光刻肖特基电极，采用电子束蒸发的方式依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，将Ti/Au层进行剥离，从而分别形成具有Ti/Au层的超材料层和肖特基电极，其中超材料层直接与N型砷化镓层接触，肖特基电极设置于二氧化硅层上，且肖特基电极和超材料层之间的距离为1mm～1.5mm。
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