CN109659387B - 基于杂化型等离子共振增强的红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测和传感技术领域，为解决现有技术中基于金属吸收的光探测器的制备成本偏高、光吸收不高和吸收波段调制困难的问题提出一种基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，利用金属微纳米孔阵列层/半导体薄膜/金属薄膜复合结构构筑基于金属吸收的热电子红外探测器；通过激发顶层金属微纳米孔阵列的局域等离子共振、底金属膜层的表面等离激元，以及将两者耦合起来形成的杂化型等离子共振来极大增加金属对入射光的吸收，并将上下两层金属吸收光产生的热载流子均注入到中间半导体层，从而得到可观的光响应度；通过调控顶层微纳米孔的周期和直径、中间半导体层的厚度和折射率可以实现从近红外到中红外的可调光谱吸收。
Description
技术领域
本发明属于光电探测和传感技术领域，涉及一种红外探测器。
背景技术
红外探测器的发展是红外技术发展的先导，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。近几十年红外技术的应用范围非常广泛，比如侦查、夜视、制导、气象、地貌、环境监测、遥感、热成像、光谱等。随着应用领域的拓宽，人们对红外探测波段范围的需求更高。为推动红外技术发展,欧美等发达国家已率先启动无缝隙频谱波段探测计划，在长波红外/中波红外/可见光/微波等波段探测方面获得了重要进展。然而，高性能的红外光电探测器仍是当前发展的瓶颈。近年来，随着纳米科技与制备工艺的发展，红外探测逐渐朝着纳米结构化方向发展。
在当前主流的光电探测器中，光吸收材料为半导体材料，器件结构包括：光电导型、p-n(或p-i-n)结型、肖特基结型和隧道结型。虽然目前先进的制造技术，可以将半导体层加工成微纳结构，使得基于半导体吸收的探测器的光响应度和等效噪声功率等技术指标相对块体结构具有极大提高，但半导体材料带隙却严重制约了可探测光波的范围。当入射光能量小于所用半导体材料的带隙时，探测器没有光响应；而当入射能量大于该带隙时，探测器虽有响应但不能实现窄带探测和选择性波长的探测。因此，发展区别于基于半导体吸收的新型光探测器件十分必要。
近年来，基于金属吸收的热电子光探测器的相关理论及应用研究引起了越来越广泛的关注，并取得了一些重要成果。2011年F.Wang和N.A.Melosh揭示了由金属-介质-金属多层结构组成的隧道结热电子的收集过程(Nano Letters,2011,11(12):5426–5430)，并建立了对应理论模型。2013年，他们进一步揭示了不同入射光照条件下两金属层之间开路电压的变化情况(Nature Communications,2013，4:1711–1717)，这些研究为基于金属吸收的热电子探测的发展奠定了扎实基础。
基于金属吸收的热电子探测器，其工作结包括两类：隧道结和肖特基结。基于隧道结的热电子探测器，其光响应依靠收集产生于金属并隧穿过中间介质层的热载流子，此时中间介质层的厚度和成膜质量对器件性能的影响极为关键。当介质层的厚度太厚时(如大于10nm),热载流子几乎不能随穿过介质层；而当介质层的厚度太薄时(如小于5nm),介质层难于形成较大面积的连续薄膜层(而是不连续的纳米岛或存在大量纳米孔的薄膜)，导致器件短路而不能工作。基于肖特基结的热电子探测器，在肖特基结界面附近的热电子可较容易地注入至半导体中，而远离结界面的热电子被收集的概率极低。为了提高金属的光吸收和热载流子的收集效率，往往将金属层加工成纳米结构阵列，通过激发局域等离子共振来增加金属吸收和引入光近场效应。若要实现特定窄带的光吸收，需要精确控制金属纳米结构的尺寸、形状和排列，此时这些结构的制备必需依靠高精密的纳米加工技术，此过程耗时、成本高且难于制得大幅面(如厘米级)的器件。
发明内容
本发明为解决现有技术中基于金属吸收的光探测器的制备成本偏高、光吸收不高和吸收波段调制困难的问题，采取的技术方案是：基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，所述的红外探测器为复合层式结构，在基底上由下而上依次设置底金属膜层、中间半导体层和顶层金属微纳米孔阵列层；其中底金属膜层和顶层金属微纳米孔阵列层通过导线连接，底金属膜层和中间半导体层上分别引出电极导线。
进一步的，本发明中所述顶层金属微纳米孔阵列层的厚度为20～40nm，微纳米孔阵列为六方排布，相邻两孔的中心距离为500～4000nm，孔径为相邻两孔中心距离的30％～90％。
进一步的，所述中间半导体层的厚度为30～80nm。
进一步的，所述底金属膜层的厚度为50～200nm。
进一步的，所述的底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层之间均以肖特基方式接触。
进一步的，所述中间半导体层的材料选自氧化钛TiO2、氧化锌ZnO、氧化钨WO3、氧化锡SnO2、氧化铟In2O3和五氧化二钽Ta2O5之一。
需要说明的是：由于本发明中采用的顶层金属的形貌为微纳米孔阵列，该结构可以激发局域等离子共振而增强顶层金属的光吸收；同时入射光可以穿过这些微纳米孔到达底金属膜层，而在底金属膜层表面激发表面等离激元。顶层金属的局域等离子共振与底金属膜层产生的表面等离激元，可以在中间层的厚度和折射率为某些特定值时发生耦合而形成强烈地杂化型等离子共振，从而在此共振波长处产生的较为理想的光吸收。其中，微纳米孔的直径和相邻中心距、中间半导体层的厚度和折射率影响着杂化型等离子共振的中心波长。所以，通过调整这些参数可以实现不同光谱波段的探测。
本发明的红外探测器的工作过程为金属吸收光而产生热电子，这些热电子跃过肖特基势垒而被半导体层收集。如附图2所示，当金属费米能级低于n型半导体的费米能级时，两者接触后在达到热平衡状态时两费米能级被拉平，从而导致n型半导体的能级在接触界面发生向上弯曲。其中，金属与半导体层的接触势垒Φ(即肖特基势垒)对热电子的注入概率和暗电流具有决定性的作用。器件制备工艺、材料的选取等都会影响此接触势垒Φ。本发明所述探测器的工作机制是：顶层金属产生较强的光吸收而产生热电子，虽然这些热电子非均匀地分散于微纳米孔结构化的金属薄膜内部，但由于此层金属薄膜的厚度较小(小于热电子的平均自由程)，所以大部分热电子可以扩散到达金属/半导体界面，能量高于势垒的热电子则可以跃过接触势垒Φ注入到半导体层的导带Ec而被收集；而底金属膜层对入射光也具有不可忽略的光吸收作用，但产生的热电子则沿着底金属膜层表面的法线方向由表及里呈现指数关系的衰减，也就是大部分的热载流子集中在靠近底金属膜层的上表面，这样底金属膜层产生的大部分热电子也能扩散至金属/半导体界面。当由两层金属引出的导线与由半导体层引出的导线形成回路时，电子能够由中间半导体层引出而流向外部电路，从而表现出宏观电流。当在金属层施加相对半导体层的正偏压时，外加电场将促进热电子的收集，从而表现出更大的光电流。当然，若只是在顶层金属或底金属膜层之一引出的导线作为一个输出端，而另一个输出端仍为半导体层上引出的导线时，光电流将明显小于前面的那种连接方式。而若将顶层金属和底金属膜层引出的两个导线作为器件的输出端(此时半导体层不引出导线)时，光电流难以被测量到(即使外加了一个大偏压)。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种基于杂化型等离子共振增强的红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
a.在玻璃或二氧化硅基底上蒸镀一层底金属膜层；
b.在上述金属薄膜表面沉积一层厚度均匀的中间半导体层；
c.将上述结构作为基底放入装满去离子水的容器中，在水面排满单层微纳米球；
d.将容器中的水缓慢排干，从而将水表面的单层微纳米球转移至基底；
e.将单层微纳米球覆盖的基底放入离子刻蚀系统中刻蚀，将微纳米球直径减小；
f.在单层微纳米球表面通过电子束蒸镀一层金属膜；
g.去除微纳米球，得到顶层金属微纳米孔阵列层/中间半导体层/底金属膜层结构；
h.在顶层金属微纳米孔阵列层、底金属膜层上引出导线并短接作为器件的一个端口，在半导体层引出导线作为器件的另一个端口。
进一步地，步骤a、f所述金属和步骤b中所述半导体形成肖特基接触；
进一步地，步骤d所述的微纳米球优选为聚苯乙烯微纳米球；
进一步地，步骤a和f中金属材质优选为金；
进一步地，步骤b中半导体层的生长方式优选为原子层沉积。
本发明的新颖性及优点：
本技术方案是通过可调谐的金属微纳米孔结构参数和中间半导体层的厚度和材质来实现探测波段的调控，本探测器的光响应谱不受半导体带隙的限制，既定结构参数下对应的响应光谱较窄。但通过调节结构参数，可以在近红外到中红外光谱范围内实现目标波长或窄波段的高响应度探测。
本发明利用杂化型等离子共振来增强器件中金属对入射光的吸收，同时将顶、底金属膜层中所产生的热电子均注入到中间半导体层，从而保证热载流子能够充分有效地收集起来。而对于基于金属/绝缘介质层/金属(MIM)结构的隧道结热电子探测器，两层金属中的热电子是不能同时被收集且要相互抵消一部分；另外，基于MIM结构的探测器对中间层的要求非常高(非常薄、均匀且无介孔缺陷)。故与基于MIM结构的隧道结热电子探测器相比，本方案的探测器制备更容易，成本更低，且具备响应度更高的性能指标。
本发明方案所涉及的微纳结构为连成一体的微纳米孔结构化的薄膜层。此结构可以大面积(厘米级)、批量制备；而通常的微纳米结构则为离散、周期型分布的微纳米柱(或微纳米块或其他形状)，这些结构一般采用对单结构逐一加工的技术而得到，需要用到电子束曝光或聚焦离子束加工技术等精密加工技术。此外，顶层金属为连成一体的微纳米孔阵列，可以将顶层金属内部不同区域产生的载流子引出至电极导线，而对于采用离散、周期性的微纳米结构阵列作为顶层金属的探测器，单根的顶层金属的电极导线不能将不同区域的载流子引出。故相对于其他金属微纳米结构基的热电子探测器，本发明所述的光探测器涉及的微纳结构和电极制备成本较低、且器件性能更好。
附图说明
图1为基于杂化型等离子共振增强的红外探测器结构示意图；
其中：11、基底；12、底金属薄膜；13、中间半导体层；14、顶层金属微纳米孔阵列层；101、金属层引出的电极导线；102、半导体层引出的电极导线。
图2为本发明所述探测器的工作原理示意图。
图3为仿真计算所得各层金属对垂直入射光的吸收谱；
其中：31、两层金属对入射光的吸收总和的吸收谱曲线；32、顶层金属微纳米孔阵列层对入射光的吸收的吸收谱曲线；33、底金属膜层对入射光的吸收的吸收谱曲线。
图4为仿真计算所得相邻纳米孔中心距为600nm下不同纳米孔径时器件的反射谱；
其中：41、纳米孔直径为300nm的反射谱曲线；42、纳米孔直径为400nm的反射谱曲线；43、纳米孔直径为500nm的反射谱曲线。
图5为实验制备的相邻纳米孔中心距为600nm、纳米孔直径为500nm时探测器的俯视扫描电镜图。
图6为实验制备的相邻纳米孔中心距为1000nm、纳米孔直径为770nm时探测器的俯视扫描电镜图。
图7为实验测量所得相邻纳米孔中心距为1000nm、不同纳米孔直径时探测器的反射谱；
其中：71、纳米孔直径为820nm的反射谱曲线；72、纳米孔直径为770nm的反射谱曲线；73、纳米孔直径为700nm的反射谱曲线；74、纳米孔直径为600nm的反射谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
实施例一：
结合图1所示，本实施例提供的这种基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，其采用基底11(材质为硅/二氧化硅，二氧化硅厚度为100～300nm,硅的厚度为200～600μm)，在基底11上由下而上依次设置底金属膜层12(材质为金，厚度为100nm)、中间半导体层13(材质为氧化锌，厚度为50nm)、顶层金属纳米孔阵列层14(材质为金，厚度为40nm)，还包括顶、底两金属膜层引出的电极导线101、以及由中间半导体层引出的电极导线102，所述导线分别作为探测器的输出端口。通过数值仿真计算得到，当顶层金属中的相邻两纳米孔的中心距为600nm、纳米孔直径为400nm时，其顶、底两金属层对入射光在1.4μm波长处均有明显的吸收峰(半高宽小于0.1μm)，两者加起来的光吸收率超过95％，两层金属对入射光的吸收总和的吸收谱曲线31、顶层金属微纳米孔阵列层对入射光的吸收的吸收谱曲线32、底金属膜层对入射光的吸收的吸收谱曲线33，如附图3所示。当相邻两纳米孔的中心距固定为600nm、纳米孔直径变化时，可以得到反射谷(由于该器件在该波段的透射为零，反射谷对应吸收峰)明显移动的反射谱，纳米孔直径为300nm的反射谱曲线41、纳米孔直径为400nm的反射谱曲线42、纳米孔直径为500nm的反射谱曲线43，如附图4所示。借此光响应特性，相邻两纳米孔的中心距固定为600nm而纳米孔直径变化时可用于1.0～1.8μm波段范围内的不同窄带波的探测与分析。
参照图1，其具体的制备方法如下：
1)在经过清洗的基底11上运用电子束蒸镀技术，先蒸5nm的钛黏附层，然后再蒸镀100nm的底层金薄膜12；
2)在170℃下，以二乙基锌为前驱体，利用原子层沉积技术沉积500个循环，得到厚度为50nm的氧化锌为中间半导体层13；
3)在中间半导体层13表面通过自组装技术得到单层紧密六方排列的直径为600nm的聚苯乙烯纳米球阵列。
4)对所得到的纳米球阵列进行离子刻蚀，使其直径减小至500nm；
5)再次利用电子束蒸镀技术沉积40nm厚的金薄膜，然后将其浸泡在四氢呋喃溶液中，超声处理以完全去除直径减小后的纳米球，最后得到顶层金属纳米孔阵列14，对应的俯视扫描电镜(SEM)图如附图5所示；
6)在顶、底金属薄层14、12上各引出一条电极导线并短接为一个输出端101，另在中间半导体层13上引出电极导线作为另一个输出端102，两个输出端与外界电路连接形成回路。
上述实施例中制备出的器件结构，可借助有限差分法进行电磁波耦合计算，并结合热电子的收集模型，可计算得出此器件在无外界偏压下对于1.55μm波长的光响应度为2.2nA/mW，此器件可突破常规半导体禁带宽度的限制、并可实现对不同入射波的强选择性探测。另外，增加偏压可进一步提高其响应度
实施例二：
其结构参见图1，与实施例1相同，不同之处在于顶层金属纳米孔阵列的相邻两孔的中心距由实施例1中600nm变为1000nm，中间半导体层由实施例1中的50nm氧化锌变为30nm的二氧化钛。通过改变离子刻蚀系统的工艺参数，将聚苯乙烯球的直径由1000nm分别减小至820nm、770nm、700nm和600nm。
其中，聚苯乙烯球直径减小为770nm时所制备器件的俯视SEM图如附图6所示。
本实施例中制备出的纳米孔直径为820nm的反射谱曲线71、纳米孔直径为770nm的反射谱曲线72、纳米孔直径为700nm的反射谱曲线73、纳米孔直径为600nm的反射谱曲线74，如附图7所示。从附图7中也可以看出，通过改变顶层金属中纳米孔的直径，可以使得器件对入射光在1.7～2.5μm波段范围内表现出可调的反射谷(吸收峰)，所以可以利用此结构对上述波段的入射光进行探测。
本技术方案提出的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器。利用金属微纳米孔阵列层/半导体薄膜/金属薄膜结构构筑基于金属吸收的热电子红外探测器。通过激发顶层金属微纳米孔阵列的局域等离子共振、底金属膜层的表面等离激元，以及将两者耦合起来形成的杂化型等离子共振来极大增加金属对入射光的吸收。并将上下两层金属吸收光产生的热载流子均注入到中间半导体层，从而得到可观的光响应度。通过较低成本地调控顶层微纳米孔的周期和直径、中间半导体层的厚度和材质(也即折射率)可以实现从近红外到中红外的可调光谱吸收。探测器的制备可以大面积、批量进行，从而使得整体成本较低。具有结构相对简单、加工较容易、光谱响应度较高、吸收波段调制较容易等特点。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，比如改变尺寸或者改变材料等，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器为复合层式结构，由下而上依次为基底、底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层；其中底金属膜层和顶层金属微纳米孔阵列层通过导线连接，底金属膜层和中间半导体层上分别引出电极导线；
所述的底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层之间均以肖特基方式接触；
顶层金属微纳米孔阵列层用于激发局域等离子共振；
入射光穿过顶层金属微纳米孔阵列层的微纳米孔到达底金属膜层，在底金属膜层表面激发表面等离激元，顶层金属微纳米孔阵列层的局域等离子共振与底金属膜层产生的表面等离激元发生耦合而形成杂化型等离子共振，在此共振波长处产生光吸收。
2.根据权利要求1所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，其特征在于：所述顶层金属微纳米孔阵列层的厚度为20~40 nm，微纳米孔阵列为六方排布，相邻两孔的中心距离为500~4000 nm，孔径为相邻两孔中心距离的30%~90%。
3.根据权利要求2所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，其特征在于：所述中间半导体层的厚度为30~80 nm，底金属膜层的厚度为50~200 nm。
4.根据权利要求3所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，其特征在于：所述中间半导体层的材质选自：氧化钛TiO2、氧化锌 ZnO、氧化钨WO3、氧化锡SnO2、氧化铟 In2O3、五氧化二钽Ta2O5中的一种。
5.一种基于杂化型等离子共振增强的红外探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a.在基底上蒸镀一层底金属膜层；
b.在上述金属薄膜表面沉积一层厚度均匀的中间半导体层；
c.将步骤b中得到的基底放入装满去离子水的容器中，在水面排满单层微纳米球；
d.将容器中的水缓慢排干，从而将水表面的单层微纳米球转移至中间半导体层表面；
e.将步骤d中得到的基底放入离子刻蚀系统中刻蚀，将微纳米球直径减小；
f.在单层微纳米球表面通过电子束蒸镀一层金属膜；
g.去除微纳米球，得到顶层金属微纳米孔阵列层/中间半导体层/底金属膜层结构；
h.在顶层金属微纳米孔阵列层、底金属膜层上引出电极导线并短接作为器件的一个端口，在中间半导体层引出电极导线作为器件的另一个端口；
所述的底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层之间以肖特基方式接触；顶层金属微纳米孔阵列层用于激发局域等离子共振；入射光穿过顶层金属微纳米孔阵列层的微纳米孔到达底金属膜层，在底金属膜层表面激发表面等离激元，顶层金属微纳米孔阵列层的局域等离子共振与底金属膜层产生的表面等离激元发生耦合而形成杂化型等离子共振，在此共振波长处产生光吸收。
6.根据权利要求5所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器的制备方法，其特征在于: 所述的微纳米球为聚苯乙烯微纳米球。
7.根据权利要求6所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器的制备方法，其特征在于: 底金属膜层和步骤f中的金属膜材质为金。
8.根据权利要求5~7之一所述的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器的制备方法，其特征在于:步骤b中半导体层的生长方式为原子层沉积。
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