CN109239025A - 一种基于肖特基势垒的气体光检测器 - Google Patents

一种基于肖特基势垒的气体光检测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于肖特基势垒的气体光检测器，包括弧面在下方的半圆形透光棱镜，半圆形透光棱镜的平面上方设置有气体感应层，气体感应层的上方设置有N型半导体层，N型半导体层的上方设置有金属层，金属层与外接电源的正极电连接，N型半导体层外接电源的负极电连接；基于肖特基势垒的气体光检测器，通过在检测器中设置气体感应层，由入射光入射气体感应层从而引起肖特基结的肖特基势垒发生变化，不同气体填充在气体感应层，会引起肖特基势垒不同的变化，在已知入射光特性的情况，根据肖特基势垒的变化，判断待测气体的特性，该基于肖特基势垒的气体光检测器，结构简单，实现了基于肖特基势垒检测器的多用能应用。

Description

一种基于肖特基势垒的气体光检测器
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种基于肖特基势垒的气体光检测器。
背景技术
光电探测器的物理效应通常分为光子效应和光热效应，对应的探测器分别称为光子型探测器和光热型探测器。各种光子型探测器的共同特征是采用半导体能带材料，光子能量对探测材料中光电子的产生起直接作用，故光子型探测器存在截止响应频率或波长，且光谱响应限于某一波段，因此不同的材料体系决定了探测器具有不同的响应波长范围，一般难以用于宽谱或多谱段探测。对于光热型探测器，在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，从而引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化，故光热效应与光子能量的大小没有直接关系，光热型探测器原则上对频率没有选择性。由于红外波段特别是中长波红外以上波段的光热效应相比紫外和可见光更明显，故光热探测器通常用于中长波光学辐射的探测，典型的光热型探测器包括微测辐射热计、热释电探测器和热偶探测器等种类。由于温度升高是热积累的作用，基于光热效应的热探测器一般响应速度较慢，在毫秒量级。
采用金属-半导体势垒(称为肖特基势垒)代替p-n结的半导体器件已经被开发以将入射光转换成电能。在肖特基势垒光检测器中，硅经常被用作半导体材料，其中所述光检测器工作在电磁能量谱的IR部分。在其最传统的方式中，一个硅基肖特基势垒光电二极管包括一薄的金属膜(比如硅化物膜)，其设置在一硅层上。入射光垂直地(即，″呈直角″)施加至此结构，过相对较薄的金属膜，其中膜仅吸收一小部分光，因此导致极低的外量子效率级。因此，传统的″垂直入射″的光检测器需要一个相对较大的活动检测面积，以便收集足够数量的光能以适当地发挥作用。然而，当检测区增加时，暗电流(不需要的噪声信号)也增加。此外，虽然结构相对简单，但是这样的垂直入射检测器通常要求进行冷却，其又与比较高的暗电流值相关联。
多年来，硅基肖特基势垒光检测器在光的吸收和量子效率方面的改善已经成为许多研究的对象。在一个例子中，如1197年11月11日授权给K.Saito等人的美国专利5,685,919中所公开的，通过在所述金属-半导体的分界面上一表面等离子激元模，可以对光的吸收予以改进。在此结构中，一个半圆柱形的透镜设置在金属层上，并用于将垂直入射的入射光重新定向成与形成表面等离子体激元层相关的一个角度。于1989年8月15日授权给A.C.Yang等人的美国专利4,857,973公开一个可选的肖特基势垒光检测器装置，其中光检测器单晶硅肋形波导单片集成，并定位以当光信号沿着肋形波导在硅化物层的下方通过时，吸收光信号的″尾″。尽管采用Yang等人的结构可以获得吸收效率的改善，但主要的损失依然存在，由于所述肋是通过部分地去除相对较厚的硅层部分而形成，沿着肋形波导结构的侧壁存在散射损失。此外，控制这样的肋形波导结构的尺寸(特别是高度)仍然存在困难，控制其平滑度也是如此。实际上，这样的″肋″结构(特别是具有亚微米级尺寸)的实现对于基于CMOS的常规工艺技术来说存在很大的困难。此外，Yang等人提出的非平面几何结构从制造的观点来说不被认为是优选的理想结构，特别是对于设计结构的可靠性和稳定性来说更是如此。
基于硅基肖特基势垒光检测器的潜在优势，可以非常有利地提供一种相对简单的设备，其具有高的量子效率，并且反应迅速，其制造可以采用与CMOS兼容的平面处理工艺和材料，无需大量的资金或技术投资。
但是，现有的基于肖特基势垒所设计的探测器主要是用于光检测，而缺少更深层次的功能应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是解决现有基于肖特基势垒的探测器应用功能单一的问题。
为此，本发明提供了一种基于肖特基势垒的气体光检测器，包括弧面在下方的半圆形透光棱镜，所述半圆形透光棱镜的平面上方设置有气体感应层，所述气体感应层的上方设置有N型半导体层，所述N型半导体层的上方设置有金属层，所述金属层与外接电源的正极电连接，所述N型半导体层外接电源的负极电连接。
所述气体感应层为中部设置有充气腔的金属层。
所述气体感应层为设置有不规则孔洞的金属层。
所述气体感应层中孔洞是周期排布。
所述气体感应层的厚度为10nm～30nm。
所述气体感应层的厚度为20nm。
所述N型半导体层为氧化锌制成。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于肖特基势垒的气体光检测器，解决现有基于肖特基势垒的探测器应用功能单一的问题，通过在检测器中设置气体感应层，由入射光入射气体感应层从而引起肖特基结的肖特基势垒发生变化，不同气体填充在气体感应层，会引起肖特基势垒不同的变化，在已知入射光特性的情况，根据肖特基势垒的变化，判断待测气体的特性，该基于肖特基势垒的气体光检测器，结构简单，实现了基于肖特基势垒检测器的多用能应用。此外，表面等离激元共振效应加剧了气体对肖特基势垒的影响，从而提高了对气体检测的灵敏度。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于肖特基势垒的气体光检测器结构示意图一。
图2是基于肖特基势垒的气体光检测器结构俯视图二。
图中：1、半圆形透光棱镜；2、气体感应层；3、N型半导体层；4金属层；5、充气腔。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
为了解决现有基于肖特基势垒的探测器应用功能单一的问题。本发明提供了一种如图1所示的基于肖特基势垒的气体光检测器，包括弧面在下方的半圆形透光棱镜1，半圆形透光棱镜1的弧面朝下，是为了入射光进行入射，便于调节入射角度；半圆形透光棱镜1的平面朝上，便于在平面上设置其他的结构；因此，所述半圆形透光棱镜1的平面上方设置有气体感应层2，气体感应层2为金属制成，气体感应层2为多孔的结构，便于气体填充，以便在入射光进行入射的情况下，产生表面等离激元共振反应，影响N型半导体层3内部的载流子分布，对N型半导体层3与金属层4之间肖特基结的肖特基势垒造成影响，这样就可以通过外接电源检测肖特基势垒的变化，由此判断待测气体的特性；由于表面等离激元共振效应加剧了气体对肖特基势垒的影响，所以该结构提高了检测灵敏度。所述气体感应层2的上方设置有N型半导体层3，所述N型半导体层3的上方设置有金属层4，气体感应层2与有N型半导体层3之间能够形成肖特基结，N型半导体层3与金属层4也能够形成肖特基结，所述金属层4与外接电源的正极电连接，所述N型半导体层3外接电源负极电连接，这样可以进行肖特基势垒的检测。为了确保形成肖特基结，上述N型半导体层3为氧化锌制成。
如图2所示，所述气体感应层2为中部多孔的可以是充气腔5，这样待测气体可填充在充气腔5中，以便在入射光进行入射的情况下，产生表面等离激元共振反应，影响N型半导体层3内部的载流子分布，对N型半导体层3与金属层4之间肖特基结的肖特基势垒造成影响，这样就可以通过外接电源检测肖特基势垒的变化，由此判断待测气体的特性。
另一种方式，如图1所示，所述气体感应层2为设置有孔洞的金属层；该孔洞可以是周期排布，也可以是不规则分布，只需要能够填充气体即可。
构成气体感应层2、金属层4为能够产生表面等离激元效应、导电性良好的金属，优先选择是金或者银。
为了确保入射光能够与气体感应层2产生有效的表面等离激元共振，所述气体感应层2的厚度为10nm～30nm；进一步的，所述气体感应层2的厚度可以优先的设置为20nm。
实际应用中，首先在已知入射光的情况下，调整入射光对不同的填充气体进行试验检测，确定各种气体在不同入射光的角度下，对肖特基势垒的影响，并将检测数据整理，制作成标准的表格，以便后续检测未知气体进行校对；当标准的数据采集完成后，就可以进行未知气体的检测，当需要进行未知气体检测时，先将未知气体通入气体感应层2，然后使用已知入射光以不同的角度入射该基于肖特基势垒的气体光检测器，入射光沿着半圆形透光棱镜1的弧面进行入射，不断调整入射角度，并检测肖特基势垒的变化，直到确认变化最明显的肖特基势垒的值，并根据入射角度数据、肖特基势垒变化数据，对照标准的表格，确定未知气体的种类、浓度等信息。
综上所述，该基于肖特基势垒的气体光检测器，解决现有基于肖特基势垒的探测器应用功能单一的问题，通过在检测器中设置气体感应层2，由入射光入射气体感应层2从而引起肖特基结的肖特基势垒发生变化，不同气体填充在气体感应层2，会引起肖特基势垒不同的变化，在已知入射光特性的情况，根据肖特基势垒的变化，判断待测气体的特性，该基于肖特基势垒的气体光检测器，结构简单，实现了基于肖特基势垒检测器的多用能应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：包括弧面在下方的半圆形透光棱镜（1），所述半圆形透光棱镜（1）的平面上方设置有气体感应层（2），所述气体感应层（2）的上方设置有N型半导体层（3），所述N型半导体层（3）的上方设置有金属层（4），所述金属层（4）与外接电源的正极电连接，所述N型半导体层（3）外接电源的负极电连接。
2.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述气体感应层（2）为中部设置有充气腔（5）的金属层。
3.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述气体感应层（2）为设置有不规则孔洞的金属层。
4.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述气体感应层（2）中孔洞是周期排布。
5.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述气体感应层（2）的厚度为10nm～30nm。
6.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述气体感应层（2）的厚度为20nm。
7.如权利要求1所述的一种基于肖特基势垒的气体光检测器，其特征在于：所述N型半导体层（3）为氧化锌制成。
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