CN109708766B - 一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器及其制造方法，探测器包括声波谐振器，所述的声波谐振器包括衬底，在所述的声波谐振器远离衬底的一侧设有碳纳米管。制造方法为在声波谐振器远离衬底的一侧生长碳纳米管。其优点在于：所述的探测器响应时间短、灵敏度高，同时具有较高的工作频率，具有在无线通信领域的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及制造领域，具体涉及一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器及其制造方法。
背景技术
近几十年来，光探测器得到了快速发展，在军事、工农业生产、医疗卫生等领域以及日常生活方面都得到了广泛应用。随着新材料、新结构、新工艺的不断涌现，其应用领域也在不断拓宽。其中光热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性的探测器。与典型的光子探测器相比，光热探测器可在室温下工作，不需要制冷器，因此成本较低，系统更加简单紧凑。
光热探测器的典型热时间常数大约为毫秒数量级，比光子探测器的典型时间常数要长得多，因此在某些应用中，热探测器不如光子探测器。热探测器在灵敏度和频率响应之间存在着一种平衡，如果想要获得较高的灵敏度，则要迫使探测器有较低的频率响应。一方面，如果希望探测器的响应速度快一些，即响应时间τth小一些，已知
因此探测器与周围环境间的热导Gth越大(热阻越小)越好，也就是探测器与周围环境间的热绝缘性较低。另一方面，如果希望其灵敏度高一些，即温度变化ΔT大一些，已知
因此其热导Gth越小(热阻越大)越好，也就是探测器与周围环境间的热绝缘性较高。因此很多设计出来的热探测器通常都会在灵敏度和响应时间之间采取一定的折中。现阶段由于热探测器材料制备以及器件结构设计和制作工艺的改进，已经可以使热导有较大的变化范围，但是提高热探测器的灵敏度仍需要以牺牲时间响应为代价。
传统探测器的输出信号通常很小，因此需要前置放大器，从而会引入噪声。放大器噪声最终限制了热探测器的高频性能，并且很有可能是限制非致冷测辐射热计性能的因素。近年来，出现了一系列适用于低阻抗源和高阻抗源的低噪声级的场效应管，即使如此，仍会出现放大器噪声是主要噪声源的情况，热探测器在高频时性能受限的问题仍未被解决，限制了其在无线通信中的应用。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器及其制造方法。本发明所述的探测器响应时间短、灵敏度高，同时具有较高的工作频率，具有在无线通信领域的应用前景。
本发明所述的一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器，包括声波谐振器，所述的声波谐振器包括衬底，在所述的声波谐振器远离衬底的一侧设有碳纳米管。
优选地，在所述的声波谐振器和碳纳米管之间设有石墨烯互连层。
优选地，所述的声波谐振器还包括设置在衬底上的谐振结构，所述的谐振结构包括依次层叠在衬底上的二氧化硅层、底电极、压电薄膜和顶电极；所述的衬底在设有谐振结构的位置设有空腔。
优选地，所述的空腔的截面呈弧形，空腔的中部向底电极的方向凸起。
优选地，所述的碳纳米管垂直于声波谐振器的表面。
一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的制造方法，所述的制造方法包括以下步骤：
S0、在衬底上制备底电极；
S1、在底电极远离衬底的一侧沉积压电薄膜；
S2、在压电薄膜远离底电极的一侧制备顶电极；
S3、在顶电极远离压电薄膜的一侧制备石墨烯互连层；
S4、通过刻蚀工艺使石墨烯互连层图形化，并使其图形与顶电极重合；
S5、在石墨烯互连层上淀积催化剂；
S6、生长碳纳米管；
S7、在衬底上围绕谐振结构刻蚀出腐蚀孔，并采用横向刻蚀或气相刻蚀的方法在谐振结构的下方形成空腔。
优选地，步骤S6中采用化学气相沉积方法生长碳纳米管，所述的化学气相沉积方法为等离子体增强型化学气相淀积或热化学气相淀积或微波等离子体化学气相淀积。
优选地，步骤S5中采用真空蒸发或溅射的方法淀积催化剂，所述的催化剂的厚度为0.5nm-10nm。
优选地，步骤S3中采用转移法或化学气相淀积方法或金属薄膜热退火制备石墨烯互连层；步骤S4中采用干法等离子体刻蚀法刻蚀石墨烯互连层。
本发明所述的一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器及其制造方法，其优点在于：
所述的探测器能够将入射的辐射能量快速转变成温度变化，再进一步将温度变化转变成谐振频率的偏移，进而完成辐射探测。由于在声波谐振器的顶层设置碳纳米管作为热探测器元件，用于接收光照辐射。碳纳米管的比表面积较大，对光线的折射率只有0.045％，吸收率可以达到99.5％以上。吸收率高，热容小，可以获得较小的时间常数，使本发明具有响应时间短、灵敏度高的优点。由于采用了声波谐振器作为热探测器元件，所述的探测器在响应时间短的同时，还具有较高的工作频率和数字输出特性，可以省去传统方案所需要的放大器等电路元件，简化了电路结构。其工作频率为2.4GHz左右，非常有希望构建用于无线应用的传感器节点。这是用于无线通信的标准ISM频带，因此它在无线传输中具有很大的应用前景。所述的探测器在较高的工作频率时仍然具有良好的探测性能。
采用碳纳米管和石墨烯的互连结构，有效的降低了碳纳米管和石墨烯的接触电阻，增强了在接触处的键合强度，获得了较高的导热率。采用微机械结构，将探测元件与衬底材料隔离，可以获得更大的温度变化，使输出信号更大。进一步缩短了本发明的响应时间和提高了本发明的探测灵敏度。
碳纳米管可以起到热传导的作用，将吸收转化的热量传到声波谐振器。因此采用碳纳米管作为导热材料可以加快外部热量向物体内部传导，更容易形成导热网络，且热量交换率较高。
附图说明
图1是本发明一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的结构剖面图；
图2是本发明一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的半剖三维轴测图；
图3是本发明一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的俯视光学照片；
图4是本发明一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的三维光学照片；
图5是本发明一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的谐振频率特性图；
图6是本发明的碳纳米管和石墨烯的三维结构生长的扫描电镜图片。
附图标记说明：101-衬底，102-空腔，103-二氧化硅层，104-底电极，105-压电薄膜，106-顶电极，107-石墨烯互连层，108-碳纳米管，109-催化剂。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明所述的一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器包括声波谐振器，所述的声波谐振器包括衬底101，在所述的声波谐振器远离衬底101的一侧设有碳纳米管108。
所述的声波谐振器还包括设置在衬底101上的谐振结构，所述的谐振结构包括依次层叠在衬底101上的二氧化硅层103、底电极104、压电薄膜105和顶电极106；所述的衬底101在设有谐振结构的位置设有空腔102；在所述的顶电极106与碳纳米管108之间设有石墨烯互连层107。
所述的空腔102的截面呈弧形，空腔102的中部向底电极104的方向凸起。该结构的空腔102使所构成的声波谐振器能获得更良好的谐振效果。
本实施例中，使用SiO2/Si晶片作为衬底101。底电极104为Pt/Ti，顶电极106为Au/Cr。催化剂109可以选用Fe，Ni，Co，FeAl，NiAl等。
由图5可知，本实施例所述的声波谐振器的谐振频率为2.4GHz。图中的纵坐标S11表示输入反射系数，也就是输入回波损耗，表示返回与发射之比，它是通过使用矢量网络分析仪和微探针台测量得出的。
图6是本发明所述的碳纳米管和石墨烯的吸收层的横截面的扫描电镜图片。
碳纳米管用于接收光照辐射产生热量并将热量传递给声波谐振器。光照辐射带来的热量会改变波速，进而造成频率的偏移。波速v的大小取决于薄膜的弹性模量c和密度ρ，即
频率f与波速v存在关系：
当温度升高时，发生热膨胀，弹性模量会减小，从而波速会变小，导致频率变小。这就是本发明实现探测器的共振频率随光照强度的改变而发生偏移的基本原理，并且频率的偏移随光照强度的增大而增大。碳纳米管108使本发明在高频时仍然具有良好的探测性能。
采用碳纳米管108作为热探测元件，使本发明所述的探测器响应时间短、灵敏度高，同时具有较高的工作频率，具有在无线通信领域的应用前景。设置石墨烯互连层107，两种碳基材料的无缝连接增强了接触处的原子键合强度，可以获得更有效的热量传导，从而使声波谐振器的温度快速发生变化。有效的降低了碳纳米管和石墨烯的接触电阻，增强了在接触处的键合强度，获得了较高的导热率。
所述的碳纳米管108垂直于声波谐振器的表面。垂直的碳纳米管108能快速的将一个面的热量传到另外一个面。因此可以加快外部热量向物体内部传导，更容易形成导热网络，且热量交换率较高。
所述的压电薄膜105为AlN、LiNbO3、LiTaO3、石英中的一种或任意几种的材料组合所构成的单晶或多晶薄膜。本实施例中，压电薄膜105选用AlN薄膜。
一种制造上述的探测器的制造方法，包括以下步骤：
S0、在衬底101上制备底电极104；衬底的厚度约为400nm。
S1、在底电极104远离衬底101的一侧沉积压电薄膜105；
S2、在压电薄膜105远离底电极104的一侧制备顶电极106；
S3、在顶电极106远离压电薄膜105的一侧制备石墨烯互连层；
S4、通过刻蚀工艺使石墨烯互连层图形化，并使其图形与顶电极106重合；
S5、在石墨烯互连层上淀积催化剂109；催化剂109用于催化碳纳米管108的生长，
S6、生长碳纳米管108；碳纳米管108生长后，在顶端带有部分的催化剂颗粒，即如图1所示的结构。
S7、在衬底101上围绕谐振结构刻蚀出腐蚀孔，并采用横向刻蚀或气相刻蚀的方法在谐振结构的下方形成空腔102。采用XeF2作为蚀刻剂。蚀刻深度可达80um，可有效的将探测器结构与周围衬底进行隔离。
步骤S6中采用化学气相沉积方法生长碳纳米管108，所述的化学气相沉积方法为等离子体增强型化学气相淀积或热化学气相淀积或微波等离子体化学气相淀积。
步骤S5中所述的催化剂109采用真空蒸发或溅射的方法进行淀积，所述的催化剂109的厚度为0.5nm-10nm。
步骤S3中采用转移法或化学气相淀积方法或金属薄膜热退火制备石墨烯互连层；步骤S4中采用干法等离子体刻蚀法刻蚀石墨烯互连层。
步骤S0和步骤S2中采用电子束蒸发法或溅射法制备底电极104和顶电极106。本实施例中采用电子束蒸发法制备电极，沉积的底部电极为Pt(150nm)/Ti(30nm)，顶部电极为Au(50nm)/Cr(10nm)，沉积速率为
步骤S1中采用溅射法沉积压电薄膜105。具体为DC反应溅射法，厚度约为1μm。溅射过程中的溅射条件、功率、N2/Ar气体流速和衬底温度是为了获得c轴取向的AlN膜而设定的。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用声波谐振器和碳纳米管的探测器，其特征在于，包括声波谐振器，所述的声波谐振器包括衬底(101)，在所述的声波谐振器远离衬底(101)的一侧设有碳纳米管(108)；
在所述的声波谐振器和碳纳米管(108)之间设有石墨烯互连层(107)；
所述的碳纳米管(108)垂直于声波谐振器的表面；
所述的声波谐振器还包括设置在衬底(101)上的谐振结构，所述的谐振结构包括依次层叠在衬底(101)上的二氧化硅层(103)、底电极(104)、压电薄膜(105)和顶电极(106)；所述的衬底(101)在设有谐振结构的位置设有空腔(102)；
所述的空腔(102)的截面呈弧形，空腔(102)的中部向底电极(104)的方向凸起。
2.一种根据权利要求1所述采用声波谐振器和碳纳米管的探测器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、在衬底(101)上制备底电极(104)；
S1、在底电极(104)远离衬底(101)的一侧沉积压电薄膜(105)；
S2、在压电薄膜(105)远离底电极(104)的一侧制备顶电极(106)；
S3、在顶电极(106)远离压电薄膜(105)的一侧制备石墨烯互连层(107)；
S4、通过刻蚀工艺使石墨烯互连层图形化，并使其图形与顶电极(106)重合；
S5、在石墨烯互连层上淀积催化剂(109)；
S6、生长碳纳米管(108)；
S7、在衬底(101)上围绕谐振结构刻蚀出腐蚀孔，并采用横向刻蚀或气相刻蚀的方法在谐振结构的下方形成空腔(102)。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S6中采用化学气相沉积方法生长碳纳米管(108)，所述的化学气相沉积方法为等离子体增强型化学气相淀积或热化学气相淀积或微波等离子体化学气相淀积。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S5中采用真空蒸发或溅射的方法淀积催化剂(109)，所述的催化剂(109)的厚度为0.5nm-10nm。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S3中采用转移法或化学气相淀积方法或金属薄膜热退火制备石墨烯互连层；步骤S4中采用干法等离子体刻蚀法刻蚀石墨烯互连层。
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