CN110646369A - 气体红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体红外探测器，所述气体红外探测器包括第一电极、衬底、隔离层、第二电极和石墨烯薄膜，所述衬底设在所述第一电极的上表面；所述隔离层设在所述衬底的上表面，所述隔离层开设有窗口，所述窗口用于暴露所述衬底的部分上表面；所述第二电极设在所述隔离层的上表面，所述第二电极为环状且环绕在所述窗口的外周；所述石墨烯薄膜覆设在所述衬底的部分上表面、围成所述窗口的所述隔离层的内侧面、所述第二电极的内侧面和所述第二电极的上表面，位于所述衬底的所述部分上表面的所述石墨烯薄膜具有周期性纳米结构。本发明气体红外探测器增强了对红外光的吸收，能够仅吸收特定的红外波长，提高了探测器的选择性能。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体地涉及一种气体红外探测器。
背景技术
红外气体传感器是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。相关技术中，石墨烯/硅光电探测器是光电效应的红外光电探测器，其将石墨烯薄膜与硅衬底相结合，形成石墨烯/硅肖特基浅结的二极管，石墨烯薄膜吸收的入射红外光波所产生的光生载流子迅速被石墨烯/硅肖特基浅结分离，形成光生电流。
然而，现有的石墨烯/硅光电探测器实现的是对宽光谱的吸收，不能仅吸收特征波长的光波，降低了探测器的选择性能。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出一种气体红外探测器,该气体红外探测器增强了对红外光的吸收，能够仅吸收特定的红外波长，提高了探测器的选择性能。
根据本发明的实施例的气体红外探测器包括：第一电极；衬底，所述衬底设在所述第一电极的上表面；隔离层，所述隔离层设在所述衬底的上表面，所述隔离层开设有窗口，所述窗口用于暴露所述衬底的部分上表面；第二电极，所述第二电极设在所述隔离层的上表面且位于所述窗口的外周；石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜覆设在所述衬底的所述部分上表面、围成所述窗口的所述隔离层的内侧面、所述第二电极的内侧面和所述第二电极的上表面，位于所述衬底的所述部分上表面的所述石墨烯薄膜具有周期性纳米结构。
根据本发明的实施例的气体红外探测器，通过在石墨烯薄膜上设置周期性纳米结构，增强了对红外光的吸收，能够仅吸收特定的红外波长，提高了探测器的选择性能。
在一些实施例中，所述石墨烯薄膜在所述第二电极的上表面的覆盖面积小于所述第二电极的上表面面积。
在一些实施例中，所述周期性纳米结构包括多个孔状结构。
在一些实施例中，所述孔状结构的横截面呈圆形、方形、菱形或三角形。
在一些实施例中，所述隔离层为二氧化硅隔离层。
在一些实施例中，所述窗口为方形、圆形、菱形或三角形。
在一些实施例中，所述窗口设有多个，多个所述窗口均匀间隔布置。
在一些实施例中，所述第二电极具有多个，多个所述第二电极均匀间隔布置且一个所述第二电极对应一个所述窗口。
在一些实施例中，所述石墨烯薄膜为单层或多层。
在一些实施例中，掺杂所述石墨烯薄膜以改变所述石墨烯薄膜的化学势。
附图说明
图1是根据发明的实施例的气体红外探测器的剖面图；
图2是根据发明的实施例的未覆设石墨烯薄膜的气体红外探测器的剖面图；
图3是根据发明的实施例的气体红外探测器的俯视图。
附图标记：
第一电极1，衬底2，衬底的部分上表面21，隔离层3，隔离层的内侧面31，隔离层的部分上表面32，第二电极4，通孔41，石墨烯薄膜5，周期性纳米结构51，窗口6。
具体实施方式
下面详细描述发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释发明，而不能理解为对发明的限制。在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。而且，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
如图1、2所示，界定红外探测器的高度方向为上下方向，红外探测器的宽度方向为左右方向，红外探测器的长度方向为横向。
如图1-3所示，根据发明实施例的气体红外探测器包括第一电极1、衬底2、隔离层3、第二电极4和石墨烯薄膜5，衬底2设在第一电极1的上表面，具体地，衬底2的材料在本领域内通常采用硅，即硅衬底，具体地，该硅衬底包含N型和P型硅材料，电阻率为0.1～100Ω·㎝，本领域内衬底2还可采用锗或砷化镓等窄带隙半导体材料；隔离层3设在衬底2的上表面，具体地，隔离层3为二氧化硅隔离层，二氧化硅隔离层的厚度为100nm～1000nm，本发明并不限于此，隔离层3的材料本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
隔离层3开设有窗口6，该窗口6能够将衬底2的部分上表面21暴露出来，窗口6由隔离层3的内侧面31围成。换言之，隔离层3上开设形成窗口6的贯通孔，以使得衬底2的上表面21和该贯通孔形成凹形槽结构，由此，凹形槽结构的底壁面为衬底2的部分上表面21，凹形槽结构的侧壁面为隔离层3的内侧面31。
第二电极4设在隔离层3的上表面，第二电极4为环状且环绕在窗口6的外周，换言之，隔离层3的上表面设有第二电极4，第二电极4为环状，环状的第二电极4环绕在窗口6的外周以将窗口6暴露出来。具体地，第二电极4具有在第二电极4的上下方向贯通该第二电极4的通孔41以使第二电极4呈环状结构，该通孔41位于隔离层3的窗口6的上方，且能够将窗口6完全暴露出来。具体地，隔离层3的内侧面31(即凹形槽结构的侧壁面)在第二电极4的内表面(即通孔41的壁面)的内侧，以使窗口6完全暴露出来。
进一步地，第二电极4的外表面位于隔离层3的外表面的内侧，即第二电极4位于隔离层3的边界所围成的区域内。更进一步地，通孔41的形状与窗口6的形状一致，即二者的横截面(垂直于上下方向的平面)形状相同，且通孔41的横截面面积大于或等于窗口6的横截面面积，以将窗口6暴露出来。更进一步地，通孔41的中心线与窗口6的中心线可以重合。例如图1所示，通孔41和窗口6的横截面均呈正方形，通孔41位于窗口6的正上方，即通孔41的中心线与窗口6的中心线重合，通孔正方形的通孔41的各个宽度均大于窗口6的各个宽度，通孔41和窗口6的形状本发明并不限于此，例如，通孔41和窗口6的横截面还可以均为长方形，通孔的长度大于窗口6的长度，通孔的宽度大于窗口6的宽度，可以理解的是，窗口6和通孔41的横截面除了呈方形外，还可以呈三角形、菱形、圆形等。
石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的壁面)、第二电极4的内侧面(通孔41的壁面)和第二电极4的上表面，换言之，石墨烯薄膜5铺设在通孔41和窗口6的位置，即石墨烯薄膜5从外向内依次贴合第二电极4的上表面、第二电极4的内侧面、隔离层3的内侧面31和衬底2的部分上表面21。更具体地，石墨烯薄膜5的横截面面积大于开孔41的横截面面积，以使石墨烯薄膜5的边界位于第二电极4的上表面。
可以理解的是，石墨烯薄膜5既是滤波器，能够吸收特征波长，又是有源薄膜，由于石墨烯具有金属特性，能够和硅衬底结合形成肖特基浅结的二极管。石墨烯薄膜5吸收的特征红外光波产生的光生载流子被肖特基浅结快速分离，形成光生电流，根据本发明实施例的气体红外探测器具有时间响应快，不受外界热源的影响的优点。
其中位于衬底2的部分上表面21的石墨烯薄膜5具有周期性纳米结构51，换言之，石墨烯薄膜5的在衬底2的部分上表面21上的部分具有周期性纳米结构51。具体地，周期性纳米结构51包括多个孔状结构，孔状结构的横截面呈圆形、方形、菱形或三角形等形状。例如图1所示，孔状结构的横截面呈圆形，孔状结构的横截面形状本发明并不限于此，本领域技术人员根据实际需要能够进行选择。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
可以理解的是，气体红外探测器采用具有周期性纳米结构51的石墨烯薄膜5作为滤波器，能够增强对红外光的吸收，且仅吸收特定的红外波长，以探测特定的气体，提高了探测器的选择性能，而且可以减小气体红外探测器的体积，易于制备和降低成本。
进一步地，第一电极1、衬底2、隔离层3和第二电极4从下到上依次设置，可以理解的是，在本领域内，第一电极1通常称为底电极，能够与衬底2形成欧姆接触，第一电极1是金属薄膜电极，其金属材料为镓铟合金、钛合金或铝等；第二电极4通常称为顶电极，第二电极4为金属薄膜电极，该金属材料为铝、金或金铬合金等。
更进一步地，当第二电极4的通孔41的侧壁面位于窗口6的侧壁面的外侧时，窗口6周围会有隔离层3的部分上表面32暴露出来，则石墨烯薄膜5也会覆设在隔离层3的部分上表面32，即石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的侧壁面)、隔离层3的部分上表面32，第二电极4的内侧面(通孔41的侧壁面)和第二电极4的上表面。
在一些实施例中，石墨烯薄膜5在第二电极4的上表面的覆盖面积小于第二电极4的上表面面积，更进一步地，石墨烯薄膜5的边界在第二电极4的边界的内侧，即石墨烯薄膜5的侧边在第二电极4的上表面，且石墨烯薄膜5的侧边与第二电极4的外侧边间隔设置，以便于在第二电极4的上表面留出接电的位置，即在第二电极4的上表面的没有石墨烯薄膜5的位置接电。更进一步地，第二电极4呈大体方形，石墨烯薄膜5整体也呈大体方形，且方形的石墨烯薄膜5的侧边在方形的第二电极4的上表面，且方形的石墨烯薄膜5的侧边与方形的第二电极4的外侧边间隔设置。
在一些实施例中，如图3所示，窗口6设有多个，即隔离层3上开设有多个间隔布置的窗口6，可以理解的是，多个窗口6可以均匀间隔布置，即相邻窗口6之间的间隔相同；多个窗口6也可以不均匀间隔布置，即相邻窗口6之间的间隔不同，本领域技术人员可根据实际情况进行确定。
进一步地，第二电极4具有多个，每个窗口6处对应设置一个第二电极4，多个窗口6均匀间隔布置则多个第二电极4均匀间隔布置，多个窗口6不均匀间隔布置则多个第二电极4不均匀间隔布置。可以理解的是，多处设有石墨烯薄膜5，多个窗口6形成阵列，则多处的石墨烯薄膜5形成阵列，阵列石墨烯薄膜5上可以制备不同周期、占空比和/或形状的周期性纳米结构51，能够对不同特征红外波长的吸收，以探测多种特定的气体。
例如图3所示，隔离层3上开设有4个窗口6，4个窗口6成方形阵列且分别为第一窗口、第二窗口、第三窗口和第四窗口，其中第一窗口和第二窗口在左右方向上间隔且相对设置，第一窗口和第三窗口在横向上间隔且相对设置，第二窗口和第三窗口在左右方向上间隔且相对设置，第二窗口和第四窗口在横向上间隔且相对设置。在第一窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第一直径；在第二窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第二直径；在第三窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第三直径；在第四窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第四直径；其中第一直径大于第二直径，第二直径大于第三直径，第三直径等于第四直径。
更进一步地，石墨烯薄膜5为单层或多层，其中采用多层石墨烯薄膜5，吸收峰产生蓝移而靠近近红外光波段，有利于红外气体的探测，同时增加特征波长的吸收。
在一些实施例中，掺杂石墨烯薄膜5以改变石墨烯薄膜5的化学势。具体地，采用化学掺杂法掺杂石墨烯薄膜5，能够增大石墨烯薄膜5的化学势，有利于特征吸收峰位于近红外光波段，便于气体的探测。
下面参考附图1-3描述本发明具体实施例的气体红外探测器。
如图1-3所示，根据本发明实施例的气体红外探测器包括第一电极1、衬底2、隔离层3、第二电极4和石墨烯薄膜5，第一电极1是金属薄膜电极，其金属材料为镓铟合金、钛合金或铝等，第二电极4也为金属薄膜电极，该金属材料为铝、金或金铬合金等。
衬底2设在第一电极1的上表面，衬底2的材料为硅，即衬底2为硅衬底，该硅衬底包含N型和P型硅材料，电阻率为0.1～100Ω·㎝。隔离层3设在衬底2的上表面，隔离层3为二氧化硅隔离层，二氧化硅隔离层的厚度为100nm～1000nm。隔离层3开设有4个正方形的窗口6以将多个衬底2的部分上表面21暴露出来，窗口6由隔离层3的内侧面31围成，第二电极4设在隔离层3的上表面，第二电极4具有正方形的通孔41以形成环状，环状的第二电极4环绕窗口6的外周设置，具体地，正方形的通孔41位于窗口6的正上方，且通孔41的中心线与窗口6的中心线重合，正方形的通孔41的横截面面积大于正方形的窗口6的横截面面积，以将窗口6完全暴露出来。每个窗口6处对应一个第二电极4，即第二电极4具有4个。
石墨烯薄膜5覆设在衬底2的部分上表面21、隔离层3的内侧面31(窗口6的壁面)、隔离层3的部分上表面32，第二电极4的内侧面(通孔41的壁面)和第二电极4的上表面，即每个窗口6处均覆设有石墨烯薄膜5，且石墨烯薄膜5为多层，第二电极4呈大体方形，石墨烯薄膜5整体也呈大体方形，且方形的石墨烯薄膜5的侧边在方形的第二电极4的上表面，且方形的石墨烯薄膜5的侧边与方形的第二电极4的外侧边间隔设置。可以理解的是，采用化学掺杂法掺杂石墨烯薄膜5，能够增大石墨烯薄膜5的化学势，有利于特征吸收峰位于近红外光波段，便于红外气体的探测。
石墨烯薄膜5的在衬底2的部分上表面21上的部分具有周期性纳米结构51。周期性纳米结构51包括多个孔状结构，孔状结构的横截面呈圆形，每个窗口6对应的孔状结构的个数不同，具体地，4个窗口6成方形阵列且分别为第一窗口、第二窗口、第三窗口和第四窗口，其中第一窗口和第二窗口在左右方向上间隔且相对设置，第一窗口和第三窗口在横向上间隔且相对设置，第二窗口和第三窗口在左右方向上间隔且相对设置，第二窗口和第四窗口在横向上间隔且相对设置。在第一窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第一直径；在第二窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第二直径；在第三窗口处周期性纳米结构51包括4个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第三直径；在第四窗口处周期性纳米结构51包括9个阵列分布的圆形孔状结构，且该圆形孔状结构具有第四直径；其中第一直径大于第二直径，第二直径大于第三直径，第三直径等于第四直径。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，本领域的普通技术人员在发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种气体红外探测器，其特征在于，包括：
第一电极；
衬底，所述衬底设在所述第一电极的上表面；
隔离层，所述隔离层设在所述衬底的上表面，所述隔离层开设有窗口，所述窗口用于暴露所述衬底的部分上表面；
第二电极，所述第二电极设在所述隔离层的上表面，所述第二电极为环状且环绕在所述窗口的外周；
石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜覆设在所述衬底的部分上表面、围成所述窗口的所述隔离层的内侧面、所述第二电极的内侧面和所述第二电极的上表面，位于所述衬底的部分上表面的所述石墨烯薄膜具有周期性纳米结构。
2.根据权利要求1所述的气体红外探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜在所述第二电极的上表面的覆盖面积小于所述第二电极的上表面面积。
3.根据权利要求1所述的气体红外探测器，其特征在于，所述周期性纳米结构包括多个孔状结构。
4.根据权利要求3所述的气体红外探测器，其特征在于，所述孔状结构的横截面呈圆形、方形、菱形或三角形。
5.根据权利要求1所述的气体红外探测器，其特征在于，所述隔离层为二氧化硅隔离层。
6.根据权利要求1所述的气体红外探测器，其特征在于，所述窗口为方形、圆形、菱形或三角形。
7.根据权利要求1所述的气体红外探测器，其特征在于，所述窗口设有多个，多个所述窗口均匀间隔布置。
8.根据权利要求7所述的气体红外探测器，其特征在于，所述第二电极具有多个，多个所述第二电极均匀间隔布置且一个所述第二电极对应一个所述窗口。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的气体红外探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单层或多层。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的气体红外探测器，其特征在于，掺杂所述石墨烯薄膜以改变所述石墨烯薄膜的化学势。
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