CN106684172B - 一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法，硅雪崩光电二极管和距离所述硅雪崩光电二极管的衬底至少3倍光波波长处的超材料，所述超材料的电磁共振波长位于400nm‑780nm之间，入射光通过超材料之后再进入硅雪崩光电二极管。本发明采用了制作工艺成熟和低成本的硅探测器件，借助超材料对可见光的强烈电磁共振吸收作用，将可见光阻挡在硅雪崩光电二极管之外，从而减小可见光对紫外探测的干扰，实现具有较高紫外/可见光识别比的紫外探测。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测器技术领域，特别是涉及硅探测器所用的硅雪崩光电二极管技术领域，具体为一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法。
背景技术
在电磁辐射谱中，波长在400nm-780nm的属于可见光，波长在10nm-400nm之间的电磁波为紫外光。其中，400nm-300nm为NUV(近)紫外线，300nm-200nm为MUV(中)紫外线,200nm-122nm为FUV(远)紫外线。紫外探测器件在军事与民用中有广泛的应用，例如，它可以用于火焰探测、导弹预警制导、光电对抗、战场生化试剂探测、生物医学分析、环境污染检测、海上油监、臭氧监测、航天深空探测、紫外保密通信和紫外天文学中。
当今已投入应用的比较常见的紫外探测器有光电倍增管和硅基紫外光电管。光电倍增管器件虽然探测灵敏度高，但是其量子效率低、体积庞大、工作电压高、容易破碎损坏。氮化镓、碳化硅等宽带隙半导体材料虽然也可以制作紫外探测器，但是制作所用的原材料价格较贵，而且制作工艺技术目前还不是很成熟。相比而言，硅材料价格便宜，硅基探测器件制作工艺也很成熟。无论是硅光电二极管、硅PIN探测器、还是硅雪崩光电二极管的制作技术都非常成熟，相应产品已经被广泛应用在军事与民用领域。特别是硅雪崩光电二极管由于具有雪崩效应提供的内部增益，可以将光生电流放大几十、上百、甚至成千上万倍，因而可以探测非常微弱的光信号。但是，硅的禁带宽度较小(常温下为1.1电子伏特)，它适于探测的光波长主要位于可见光波段。不仅进入探测器的紫外光会产生光电流，而且进入硅探测器的可见光也会产生光电流，这对紫外光的探测形成一种严重的干扰，也会导致探测器的紫外/可见光识别比大幅降低，不利于器件对紫外波段光的准确探测。为了解决这个问题，通常需要在硅探测器前端加上复杂的、价格昂贵的滤光系统，或者采用浅结结构和表面杂质浓度很低的所谓硅紫外增强型探测器，但是这类器件的制作工艺要求很高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法，用于解决现有技术中硅探测器容易受可见光干扰的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅雪崩光电二极管组件，所述硅雪崩光电二极管组件包括：所述硅雪崩光电二极管组件包括：硅雪崩光电二极管和距离所述硅雪崩光电二极管的衬底至少3倍光波波长处的超材料，所述超材料的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，入射光通过超材料之后再进入硅雪崩光电二极管。
优选地，所述超材料是由制作在玻璃基板上的金属层与介质层交替排列所形成的周期性多层结构组成。
优选地，所述超材料的周期性多层结构的层数在3层或3层以上。
优选地，所述金属层为银层。
优选地，所述介质层可为氮化硅层、二氧化钛层、三氧化二铝层或二氧化硅层。
为实现上述目的，本发明还提供一种硅雪崩光电二极管组件的制作方法，所述硅雪崩光电二极管组件的制作方法包括：提供一硅雪崩光电二极管并在距离硅雪崩光电二极管的衬底至少3倍光波波长处形成一超材料，所述超材料的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，使入射光通过超材料之后再进入所述硅雪崩光电二极管。
优选地，所述超材料是采用电子束蒸发或者溅射的方法，依次在一玻璃基板上生长金属层和介质层，重复此生长过程即获得周期性多层结构。
优选地，所述超材料的周期性多层结构的层数在3层或3层以上。
优选地，所述介质层可为氮化硅层、二氧化钛层、三氧化二铝层或二氧化硅层。
优选地，所述金属层为银层。
如上所述，本发明的一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明无需使用昂贵的滤波器，也无需使用目前制作工艺技术还不成熟的氮化镓以及铝镓氮探测器。它采用了制作工艺成熟和低成本的硅探测器件，借助超材料对可见光的强烈电磁共振吸收作用，将可见光阻挡在硅雪崩光电二极管之外，从而减小可见光对紫外探测的干扰，实现具有较高紫外/可见光识别比的紫外探测。
附图说明
图1显示为本发明的一种硅雪崩光电二极管组件的结构示意图。
图2显示为本发明实施例中所述超材料的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中所述超材料的透射光谱分析图。
元件标号说明
1 硅雪崩光电二极管
2 超材料
21 玻璃基板
22 金属层
23 氮化硅层
3 入射光
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明的目的在于提供一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法，用于解决现有技术中硅探测器容易受可见光干扰的技术问题。以下将详细阐述本发明的一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种硅雪崩光电二极管组件及其制作方法。
本实施例提供一种硅雪崩光电二极管组件，如图1所示，所述硅雪崩光电二极管组件包括：
硅雪崩光电二极管1和距离所述硅雪崩光电二极管1的衬底至少3倍光波波长处的超材料2，硅雪崩光电二极管1与超材料2是两个在空间上分离的两个不同器件。所述超材料2形成于玻璃基板上，玻璃基板与硅雪崩光电二极管1的衬底之间没有连接，二者相距至少3倍光波波长，衬底表面与玻璃基板表面相互平行，入射光3通过超材料2之后再进入硅雪崩光电二极管1。
其中，超材料2是由制作在玻璃基板21上的银22与介质材料23交替排列所形成的多层结构所组成。每一层银的厚度、以及每一层介质材料的厚度都是远小于探测光的波长(是探测光波长的二十分之一至二分之一之间)。多层结构的层数不小于3。并且，介质材料23的选取和层厚度、以及银厚度的选取使得超材料的电磁共振波长位于所要求的波段。
超材料的英文名称是metamaterial，它具备天然材料所不具有的超常规电磁特性。一般采用人工设计的多个结构单元来实现超材料的超常规电磁特性，结构单元的尺寸参数远小于电磁波波长。由于超材料的性质主要取决于结构单元的尺寸、单元之间的相互作用，所以这种结构单元又被称为超原子或超分子。
根据超材料和金属等离子电磁共振理论可知，在超材料多层结构中，所组成材料的材料特性与尺寸参数共同决定了超材料的电磁共振波长λr。当外部入射电磁波的波长接近λr的时候，金属银中的自由电子会发生强烈的局域等离子共振，吸收大量光能量，导致出射的光功率急剧下降。本专利正是要利用超材料这种对电磁共振波长光波具有强烈吸收的特性。我们通过优化设计可以使得超材料的电磁共振波长正好位于可见光波段。
具体地，在本实施例中，所述超材料2的电磁共振波长位于400nm-780nm之间。当外部光进入硅雪崩光电二极管组件的时候，其中的可见光被超材料强烈吸收，能够进入硅雪崩光电二极管的光主要是紫外光，因此可以大幅提高探测器的紫外/可见光识别比。
介质层23可以选取以下材料：氮化硅、或者二氧化硅、或者二氧化钛、或者三氧化二铝。这些介质材料的带隙较大，适合紫外光的探测。因为不同材料的光学常数不一样，因此当选用别的介质材料的时候，介质材料的层厚与金属银的层厚的选取会有所不同。但是，这些组成材料的的厚度都是远小于探测光的波长，厚度在探测光波长的二十分之一至二分之一之间。同理，组成超材料的多层结构的层数不一定是3，可以是大于3的数目。但是无论怎样，多层结构所组成材料的种类、层厚的选取必须使得超材料的电磁共振波长处于可见光波段之间(400nm-780nm之间)。
更进一步地，在本实施例中，构成超材料的材料有银和氮化硅，前者属于金属材料，后者属于介质材料。氮化硅和银的材料特性以及它们的层厚共同决定了超材料的电磁共振波长λr。因此，我们通过优化设计，使超材料的电磁共振波长正好位于可见光波段。在图2所示的实施例中，氮化硅的厚度、银的厚度都远小于探测光的波长。氮化硅的厚度为130nm，银的厚度为150nm。
为实现上述一种硅雪崩光电二极管组件，本实施例对应提供一种硅雪崩光电二极管组件的制作方法，所述方法包括：提供一硅雪崩光电二极管1并在距离硅雪崩光电二极管1的衬底至少3倍光波波长处形成一超材料2，所述超材料2的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，使入射光通过超材料2之后再进入所述硅雪崩光电二极管1。
所述超材料2是采用电子束蒸发或者溅射的方法，依次在玻璃基板21上生长氮化硅层23和银层22，重复此生长过程3次即获得3层结构超材料2。
具体地，在本实施例中，所述超材料2是采用电子束蒸发或者溅射的方法，依次在玻璃基板21上生长氮化硅层23和银层22，重复此生长过程3次即获得3层结构的氮化硅层和银层。上述周期性多层结构的层数也可在3层以上。
此外，在本实施例中，优选地，所述银层22与所述氮化硅层23的厚度是探测光波长的二十分之一到二分之间之间。
在本发明中，组成超材料的材料种类与尺寸不是唯一的。优选地，所述氮化硅层可由二氧化钛层、三氧化二铝层或二氧化硅层代替。这些介质材料的带隙较大，适合紫外光的探测。因为不同材料的光学常数不一样，因此当选用别的介质材料的时候，介质材料的层厚与金属银的层厚的选取会有所不同。但是，这些组成材料的的厚度都是远小于探测光的波长，厚度在探测光波长的二十分之一至二分之一之间。同理，组成超材料的多层结构的层数不一定是3，可以是大于3的数目。但是无论怎样，多层结构所组成材料的种类、层厚的选取必须使得超材料的电磁共振波长处于可见光波段之间(400nm-780nm之间)。对于图2所示的超材料结构，其电磁共振波长为530nm。当改变超材料的组成材料、或者改变这些材料的厚度的时候，电磁共振波长也会相应改变。但是，只要此波长位于可见光波段范围就可以了。不过，当电磁共振波长比较靠近可见光波段的中心区域的时候，超材料对可见光光谱的吸收效果会更好一些。
由图3可知，透射谱在530nm处出现了最小值，透射率低达0.1。这个波长就是超材料的电磁共振吸收波长，它位于可见光波段。在530nm电磁共振吸收波长附近的电磁波，其透射率也非常低。由此可知，图2所示的超材料结构能够将很大部分的可见光大幅吸收，这样能够进入到硅雪崩光电二极管的可见光显著减少，可见光对紫外探测造成的干扰相应减少，探测器因而能够获得大的紫外/可见光识别比。
综上所述，本发明通过在距离所述硅雪崩光电二极管1的衬底至少3倍光波波长处形成一超材料2，所述超材料2的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，使入射光3通过超材料2之后再进入硅雪崩光电二极管1。本发明采用了制作工艺成熟和低成本的硅探测器件，借助超材料对可见光的强烈电磁共振吸收作用，将可见光阻挡在硅雪崩光电二极管之外，从而减小可见光对紫外探测的干扰，实现具有较高紫外/可见光识别比的紫外探测。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种硅雪崩光电二极管组件，其特征在于，所述硅雪崩光电二极管组件包括：硅雪崩光电二极管和距离所述硅雪崩光电二极管的衬底至少3倍光波波长处的超材料，所述超材料的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，入射光通过超材料之后再进入硅雪崩光电二极管；所述超材料是由制作在玻璃基板上的金属层与介质层交替排列所形成的周期性多层结构组成。
2.根据权利要求1所述的硅雪崩光电二极管组件，其特征在于，所述超材料的周期性多层结构的层数在3层或3层以上。
3.根据权利要求1所述的硅雪崩光电二极管组件，其特征在于，所述金属层为银层。
4.根据权利要求1所述的硅雪崩光电二极管组件，其特征在于，所述介质层为氮化硅层、二氧化钛层、三氧化二铝层或二氧化硅层。
5.一种硅雪崩光电二极管组件的制作方法，其特征在于，所述硅雪崩光电二极管组件的制作方法包括：提供一硅雪崩光电二极管并在距离硅雪崩光电二极管的衬底至少3倍光波波长处形成一超材料，所述超材料的电磁共振波长位于400nm-780nm之间，使入射光通过超材料之后再进入所述硅雪崩光电二极管；所述超材料是采用电子束蒸发或者溅射的方法，依次在一玻璃基板上生长金属层和介质层，重复此生长过程即获得周期性多层结构。
6.根据权利要求5所述的硅雪崩光电二极管组件的制作方法，其特征在于，所述超材料的周期性多层结构的层数在3层或3层以上。
7.根据权利要求5所述的硅雪崩光电二极管组件的制作方法，其特征在于，所述金属层为银层。
8.根据权利要求5所述的硅雪崩光电二极管组件的制作方法，其特征在于，所述超材料的介质层为氮化硅层、二氧化钛层、三氧化二铝层或二氧化硅层。
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