CN104409561B - 一种基于微球光学谐振增强的硅薄膜光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳器件技术领域，具体为一种基于微球阵列实现更强光响应的硅薄膜光探测器及其制备方法。制备方法包括在衬底上制备单层或多层单分散微球阵列作为光学谐振层；借助原子层沉积技术修饰微球阵列；通过单晶硅薄膜的制备/剥离以及转移技术在光学谐振层上形成单晶硅纳米薄膜制作光探测功能层。在制备过程中，通过对微球尺寸以及微球修饰层介电常数控制，调节光谐振层发生强光学谐振时对应的光波频率。在特定频率的光信号作用下，本发明光探测器可以比没有光学谐振层的同类器件获取更强的光响应。该探测器设计新颖，特定光波段下灵敏度高，为弱光信号的探测及传感、光通讯等领域开辟了新的前景。
Description
技术领域
本发明属于微纳器件技术领域，具体涉及一种光探测器件及其制备方法，尤其涉及带有微球阵列光学谐振层、对特定频率光信号具有极强灵敏度的光探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，军用红外探测以及民用光纤通信等领域技术的发展对光探测材料及器件提出了越来越苛刻的要求：人们比以往任何时候都迫切需要具有高可靠度、高响应速率、低噪声、特别是具有更高灵敏度、轻薄短小的光探测器件。在诸多种类的光探测器当中，基于光电导效应的半导体光探测器因其体积小、灵活度高、响应速度快的优点而备受关注。
当前，有关半导体薄膜实现光探测的研究已经取得了长足的进展，但往往都局限于通过改变材料体系本身的组分来实现光探测功能的优化，对于光源本身与材料之间相互作用的探索则往往被忽略，显然这将带给光电探测器件很大的性能提升空间。基于以上考虑，我们将目光集中在了如何利用当前广受关注的光学谐振腔上面——光学谐振腔可以过滤和限制特定波长的光波，将能量集中在特定波长（Armani D K, Kippenberg T J,Spillane S M, et al., Nature, 2003, 421(6926): 925-928.）。具体来说，沿特定角度入射的光信号通过一定条件耦合进入谐振腔之后，会在介质界面处的全反射，使得光波可以在其环状截面中传播并与自身干涉构成稳定的驻波，这种情况的光学模式被称为回音壁模式（Whispering Gallery Mode）。从物理光学的角度考虑，光波能量不可能被绝对地限制在谐振腔中，在界面处，仍有光波的电磁场能量从谐振腔扩散到周围介质中（evanescentfield）。显然，如果能构筑一种特殊形状的光学谐振腔并使其作用于半导体薄膜光探测材料，势必会对相应光电器件的性能带来巨大提升。
近年来，各类管状结构的光学谐振腔研究层出不穷，但受限于其自身几何形态以及制备工艺，难以制备出能大面积作用于半导体光探测功能层的谐振结构。通过分析上文所述的光学谐振物理过程我们意识到，只要具有环形介电层结构，就有可能实现光学谐振。纳米/微米尺寸量级的微球结构，实际上可以看做一种特殊形态的环形腔，恰恰可以满足以上条件。实际上，也已经有研究证实微球结构确实可以发生光学谐振（Okazaki K,Shimogaki T, Fusazaki K, et al., Applied Physics Letters, 2012, 101(21):211105.）。相比于管状谐振腔，微球制备起来更加容易和廉价。而借助一定技术让大量单一尺寸的微球有序排列成膜，形成无数个光学谐振微腔组成的阵列，并使其与半导体光探测功能层紧密贴合，则可以在足够的区域发生光学谐振，光信号对光探测功能层的作用便会得到相应的增强。
着眼于此，本发明提出了一种新的光探测器件思路及制备方法。本发明中，无数个微球光学谐振单元密排成阵列结构，并与半导体薄膜光探测功能层紧密贴合构成高灵敏的光探测器件。探测器敏感波段与微球谐振单元的几何特征以及介电常数密切相关，本发明还提出了谐振单元相关参数的调控方法，这样，就可以根据实际需要灵活地调整探测器敏感响应波段。该探测器设计思路新颖，特定光波段下灵敏度高，最大程度上改善了现有半导体薄膜光探测材料本身对光信号利用的不足，为弱光信号的探测及传感、光通讯等领域开辟了新的前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种特定光信号波段下具有极高灵敏度的光探测器及制备方法。
本发明提供的光探测器，是一种带有光学谐振光响应增强层的硅薄膜光电导型半导体光探测器，由特定波段的光信号激发光响应增强层的光学谐振，过程中的电磁场能量影响到硅半导体薄膜，等同于增强了光信号对薄膜的作用，从而使得该器件在相应的光信号波段下具有极高的响应程度和灵敏度。
本发明提供的光探测器由下述方法制备得到，图1为制备流程图示（截面图），其具体制备步骤如下：
（1）对衬底材料进行润湿性表面处理，并将微球谐振单元紧密排列在衬底之上，形成单层或多层有序阵列结构，得到光学谐振层，如图1（a）所示；
（2）在微球谐振单元表面包覆具有特定介电常数的材料，调节响应波段；
（3）将单晶硅半导体薄膜转移至光学谐振层之上，如图1（c）所示；
（4）在单晶硅半导体薄膜表面沉积金属电极，并通过热处理改善电极接触，如图1（d）所示；然后完成器件的后续封装。
本发明中，步骤（1）所用的衬底为光学石英片、硅片或蓝宝石片等。
本发明中，步骤（1）润湿性表面处理（即亲水处理）先后使用两种溶液，分别是水虎鱼溶液（硫酸过氧化氢混合液，如H2SO4:H2O2=3:1）和氨水过氧化氢混合液（如H20:H2O2:NH3·H2O=5:1:1）。
本发明中，步骤（1）使用的微球谐振单元（单分散微球）为聚苯乙烯微球、或二氧化硅微球，直径为300 nm~2 μm。
本发明中，步骤（2）在微球谐振单元表面包覆特定介电常数的材料，使用的方法主要是原子层淀积（ALD）工艺，所沉积的材料主要是高介电常数/折射率的TiO2、HfO2等氧化物。沉积过程中通过参数控制，比如腔体温度（115℃-125℃，优选 120℃），前驱体温度（145℃-155℃，优选150℃），脉冲时间（15~20 ms）等参数，得到厚度高度均一，均匀覆盖微球表面的TiO2、HfO2层材料。沉积过程中通过控制循环次数，可以以单原子/分子层的超高精度控制修饰层材料的厚度，厚度优选10-20 nm。
本发明中，步骤（3）所使用的单晶硅半导体薄膜来自绝缘体上硅薄膜（SOI），表层硅薄膜厚度30-50 nm。
本发明中，步骤（3）中单晶硅半导体薄膜的转移主要借助氢氟酸（HF）及其蒸汽。具体是在SOI表面人为制造缺陷打开腐蚀窗口，让氢氟酸透过腐蚀窗口迅速腐蚀SOI硅薄膜下方的SiO2层，而基本上不会对硅薄膜造成影响。一定时间以后（通常HF蒸汽处理45h-50h），将样品沿切线角度浸入去离子水中，表层的硅薄膜便会浮于去离子水表面而与SOI沉底分离。随后用步骤（1）和（2）制备的光学谐振层将硅薄膜捞起，自然晾干后硅薄膜便会平铺于光学谐振层上，至此完成半导体硅薄膜的转移。
本发明中，步骤（3）在SOI表面人为制造缺陷打开腐蚀窗口，主要是指使用刀片、金刚刀在SOI表面制造缺陷点或划痕；以及采用光刻和反应离子刻蚀工艺，在SOI表面制造均匀的腐蚀窗口阵列。
本发明中，步骤（4）所述沉积金属电极主要使用物理气相沉积法，所选用的金属电极材料及其厚度应视SOI材料决定。例如，对于P型轻掺杂SOI时，先在硅薄膜表面沉积50-100 nm厚的Al电极，然后再沉积10-20 nm的Au以保护铝电极；所述热处理主要使用管式炉或快速热退火RTP设备，氮气氛围保护下450 ℃保温半小时以上。这样，少量的铝会扩散浸入半导体硅的晶格，形成P型轻掺杂半导体-P型重掺杂半导体-金属过渡结构，电极间的接触可以得到大大改善，形成近似欧姆接触。
本发明中，步骤（4）所述的后续封装主要是指DIP封装。封装底座主要采用单层陶瓷双列直插式DIP底座，通过引线键合机用30 μm的金线将样品上的电极与DIP底座上对应的接点连接。
在特定频率的光信号作用下，本发明的光探测器可以比没有光学谐振层的同类器件获取更强的光响应。该该探测器设计新颖，特定光波段下灵敏度高，为弱光信号的探测及传感、光通讯等领域开辟了新的前景。
附图说明
图1为本发明制备硅薄膜光探测器的步骤图示（截面图）。其中，（a）为在预先经过亲水处理的衬底2上均匀铺展微球谐振单元1，作为光学谐振层。谐振单元可以是均匀铺展的单层膜结构，也可以是有序的多层膜结构；（b）表示从SOI上湿法剥离下来的单晶硅薄膜3；（c）将硅薄膜转移至光学谐振层之上后的器件结构；（d）表示通过物理气相沉积在器件两端生长铝电极4及其上方其保护作用的金电极5后的器件结构。
图2为本发明硅薄膜光探测器工作状态示意图。该器件中，探测器通过导线7与电流表8和直流恒压电源9连接。在无光环境中，恒定偏压下电流表示数稳定；当信号光源6作用于器件表面，特别是与光学谐振层相匹配的波长的光信号作用于器件表面时，器件电导率骤增，通过电流表上电流信息显著变化，便可获取光信号的相关信息。
图3为本器件的高倍光学显微镜照片（500倍）及其局部放大图，从图中可以清楚地看到，50 nm厚的单晶硅薄膜3均匀地平铺于有序排列的500 nm聚苯乙烯微球谐振单元之上。
图中标号：1为微球谐振单元， 2为衬底，3为单晶硅薄膜，4为铝电极，5为金电极，6为信号光源，7为导线，8为电流表，9为直流恒压电源。
具体实施方式
以下通过实例进一步对本发明进行描述。
实施例1 基于聚苯乙烯微球阵列谐振增强的硅薄膜光探测器制备及工作方式。
采用光学石英玻片作为衬底，衬底彻底清洗后依次浸泡于水虎鱼溶液（H2SO4:H2O2=3:1，24小时）和氨水过氧化氢混合液（H20:H2O2:NH3·H2O=5:1:1，1小时）完成亲水处理。随后在其表面滴加含有单分散聚苯乙烯微球的乳液（粒径500 nm，5 wt.%，分散乳液主要成分为水及少量表面活性剂），衬底在水平无气流扰动的环境中自然干燥1小时，形成聚苯乙烯微球有序自组装微球阵列，完成光学谐振层的制备。与此同时， SOI片（P型轻掺杂，Si层厚度50 nm，SiO2层厚度120 nm）表面用刀尖敲击产生微小缺陷后依次通过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗各10分钟，随后浸入HF溶液（40%）1小时，此时SOI表面已产生大量可以透过HF的缺陷，将该SOI倒置于HF溶液蒸汽环境48小时。上述步骤可将SOI硅薄膜下面的SiO2层彻底溶解，随后将SOI以近似相切的角度浸入去离子水中，在表面张力的作用下完成硅薄膜与衬底的分离，最后将硅薄膜转移到先前的光学谐振层上。
采用电子束蒸发沉积工艺为器件制造两端电极，以下为具体工艺参数。借助掩膜板，在硅薄膜表面依次沉积Al(2.5 Ǻ/s，100 nm)、Au(0.5 Ǻ/s，20 nm)，形成金属电极，电极间距100 μm。随后通过引线键合机，用直径30μm的金线连接金属电极与陶瓷封装基座上对应的接点，完成器件封装。
器件工作时，两端通3V直流恒定电压检测器件输出的电流信号。外界光信号可引起硅薄膜电导率的变化，特定波长的光信号激发光学谐振层后引起硅薄膜电导率的显著变化，通过检测器件输出电流信号的变化，即可获取外界光源的信息。
实施例2 基于二氧化硅微球阵列谐振增强的硅薄膜光探测器制备。
采用光学石英玻片作为衬底，衬底彻底清洗后依次浸泡于水虎鱼溶液（H2SO4:H2O2=3:1，24小时）和氨水过氧化氢混合液（H20:H2O2:NH3·H2O=5:1:1，1小时）完成亲水处理。随后在其表面滴加含有二氧化硅微球的乳液（粒径700 nm，5 wt.%，分散乳液主要成分为水及少量表面活性剂），衬底在水平无气流扰动的环境中自然干燥1小时，形成二氧化硅微球有序自组装微球阵列。借助原子层淀积工艺，在二氧化硅微球表面包覆数十纳米厚高介电常数的材料二氧化钛。具体参数为：连同衬底，将已完成自组装的二氧化硅微球置于ALD腔体中，腔体温度120 ℃；前驱体水脉冲时间15 ms,冲洗时间15000 ms；前驱体钛源脉冲时间15ms，冲洗时间18000 ms；循环次数200。
与此同时， SOI片（P型轻掺杂，Si层厚度50 nm，SiO2层厚度120 nm）表面用刀尖敲击产生微小缺陷后依次通过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗各10分钟，然后浸入HF溶液（40%）1小时，此时SOI表面已产生大量可以透过HF的缺陷，将该SOI倒置于HF溶液蒸汽环境48小时。上述步骤可将SOI硅薄膜下面的SiO2层彻底溶解，随后将SOI以近似相切的角度浸入去离子水中，在表面张力的作用下完成硅薄膜与衬底的分离，最后将硅薄膜转移到先前的光学谐振层上。
采用电子束蒸发沉积工艺为器件制造两端电极，以下为具体工艺参数。借助掩膜板，在硅薄膜表面依次沉积Al(2.5 Ǻ/s，100 nm)、Au(0.5 Ǻ/s，20 nm)，形成金属电极，电极间距100 μm。随后采用管式炉，完成器件的退火处理，改善金属电极与半导体薄膜的接触状况。具体参数为：氮气氛围，450 ℃四十分钟，升温时间半小时，降温时间一小时。最后通过引线键合机，用直径30 μm的金线连接金属电极与陶瓷封装基座上对应的接点，完成器件封装。
实施例3 基于TiO2或HfO2空心微球阵列谐振增强的硅薄膜光探测器制备
采用光学石英玻片作为衬底，衬底彻底清洗后依次浸泡于水虎鱼溶液（H2SO4:H2O2=3:1，24小时）和氨水过氧化氢混合液（H20:H2O2:NH3·H2O=5:1:1，1小时）完成亲水处理。随后在其表面滴加含有聚苯乙烯微球的乳液（粒径1000 nm，5% wt，分散乳液主要成分为水及少量表面活性剂），衬底在水平无气流扰动的环境中自然干燥1小时，形成聚苯乙烯微球有序自组装单层膜结构。借助原子层淀积工艺，在聚苯乙烯微球表面包覆数十纳米厚高介电常数的材料TiO2或HfO2。具体参数为：连同衬底，将已完成自组装的聚苯乙烯微球置于ALD腔体中，腔体温度120 ℃；前驱体1水脉冲时间15 ms，冲洗时间15000 ms；前驱体2钛源或铪源的脉冲时间都是15 ms，冲洗时间18000 ms；循环次数均为200。完成原子层淀积后，样品置于管式炉中，500 ℃加热半小时。此时聚苯乙烯融化并发生部分降解，留下二氧化钛、二氧化铪空心微球结构。
与此同时， SOI片（P型轻掺杂，Si层厚度50 nm，SiO2层厚度120 nm）先后通过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗各10分钟后浸入HF溶液（40%）1小时，此时SOI表面已产生大量可以透过HF的缺陷，将该SOI倒置于HF溶液蒸汽环境48小时。上述步骤可将SOI硅薄膜下面的SiO2层彻底溶解，随后将SOI以近似相切的角度浸入去离子水中，在表面张力的作用下完成硅薄膜与衬底的分离，最后将硅薄膜转移到先前的光学谐振层上。
采用电子束蒸发沉积工艺为器件制造两端电极，以下为具体工艺参数。借助掩膜板，在硅薄膜表面依次沉积Al(2.5 Ǻ/s，100 nm)、Au(0.5 Ǻ/s，20 nm)，形成金属电极，电极间距100 μm。随后采用管式炉，完成器件的退火处理，改善金属电极与半导体薄膜的接触状况。具体参数为：氮气氛围，450 ℃四十分钟，升温时间半小时，降温时间一小时。最后通过引线键合机，用直径30 μm的金线连接金属电极与陶瓷封装基座上对应的接点，完成器件封装。
Claims (8)
1.一种基于微球光学谐振增强灵敏度的硅薄膜光探测器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）对衬底材料进行润湿性表面处理，并将微球谐振单元紧密排列在衬底之上，形成单层或多层有序阵列结构，得到光学谐振层；
（2）在微球谐振单元表面包覆具有特定介电常数的材料，调节响应波段；
（3）将单晶硅半导体薄膜转移至光学谐振层之上；
（4）在单晶硅半导体薄膜表面沉积金属电极，并通过热处理改善电极接触；然后完成器件的后续封装；
步骤（2）中所述在微球谐振单元表面包覆特定介电常数的材料为使用原子层淀积工艺在微球表面均匀沉积高介电常数/折射率的TiO2或HfO2；沉积过程中通过控制循环次数，以单原子/分子层的高精度控制修饰层的厚度；
步骤（3）中所述的单晶硅半导体薄膜来自绝缘体上硅薄膜，表层硅薄膜厚度30-50 nm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的衬底材料为光学石英片、硅片或蓝宝石片。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的润湿性表面处理，先后使用两种溶液，分别是水虎鱼溶液和氨水过氧化氢混合液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的微球谐振单元为聚苯乙烯微球或二氧化硅微球，直径为300 nm~2 μm。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的单晶硅半导体薄膜的转移主要借助氢氟酸及其蒸汽，即在SOI表面人为制造缺陷打开腐蚀窗口，让氢氟酸透过腐蚀窗口迅速腐蚀SOI硅薄膜下方的SiO2层，而基本上不会对硅薄膜造成影响；在氢氟酸蒸汽处理45h-50h后，将样品沿切线角度浸入去离子水中，表层的硅薄膜会浮于去离子水表面而与SOI沉底分离；随后用步骤（1）和（2）制备的光学谐振层将硅薄膜捞起，自然晾干后硅薄膜便会平铺于光学谐振层上，完成半导体硅薄膜的转移。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于步骤（4）中所述的沉积金属电极使用物理气相沉积法，所选用的金属电极材料及其厚度应视SOI材料决定：对于P型轻掺杂SOI时，先在硅薄膜表面沉积50-100 nm厚的Al电极，然后再沉积10-20 nm的Au以保护铝电极；所述的热处理使用管式炉或快速热退火RTP设备，氮气氛围保护下，升温至420-460，保温30-60min，然后降至室温；升降温时间30-60 min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（4）中所述后续封装采用DIP封装，封装底座采用单层陶瓷双列直插式DIP底座，通过引线键合机用30 μm的金线将样品上的电极与DIP底座上对应的接点连接完成器件封装。
8.一种由权利要求1-7之一所述制备方法制备得到的基于微球光学谐振增强灵敏度的硅薄膜光探测器。
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