CN111463299A - 基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器及偏振成像装置 - Google Patents

基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器及偏振成像装置 Download PDF

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Abstract

一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器、其制备方法及偏振成像装置，该直接探测器包括IC插座台面，其上设有IC插座针脚；硅片，其设置在IC插座台面上，其上附有二氧化硅层；以及源电极、漏电极和半导体层，均设置在硅片的二氧化硅层上，半导体层位于源电极和漏电极之间，源电极和漏电极分别通过引线与IC插座针脚连接。本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接成像，其像元为纳米级的纳米带且氧化镓的光响应时间为微秒级别，可实现高分辨且快速的扫描目标。

Description

基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器及偏振成像装置
技术领域
本发明涉及日盲区光探测及成像领域，尤其涉及一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器及偏振成像装置。
背景技术
随着探测技术以及传感技术的飞速发展，将光波基本特征之一的偏振态引入光探测技术，将会有效增加探测维度，更全面准确的获取目标的表面纹理结构、表面状态和材料类型等信息。近些年，基于一些低维层半导体的可见光及近红外敏感偏振光探测器件已经逐渐出现。这类半导体具有低对称性的晶体结构，比如斜方晶系的黑磷(b-P)、黑砷(b-As)和GeSe，单斜晶系的GaTe和GeAs，三斜晶系的ReS2和ReSe2，都在偏振光探测这一领域表现突出，然而这些偏振光探测器的探测区域主要集中于可见光和近红外区域，这些波段与地球表面的太阳光重合，因此极易收到干扰，因此可见光的偏振光探测价值较为局限，必须考虑其他波段的偏振光探测技术，比如日盲区紫外光的偏振光探测技术。
在自然界太阳是最强烈的紫外光辐射源，当太阳辐射出来的紫外光通过大气时，波长为240nm～280nm的波段紫外光被大气中的臭氧层强烈吸收而难以到达地球表面，从而形成太阳紫外光在近地表面的盲区，人们通常称之为日盲区，即日盲紫外。这一日盲区的存在使得240nm～280nm这一波段在近地表面上成为最不受干扰的波段，在刑侦检测、医学、生物学以及军事领域都有非常重要的应用价值。因此，相对于容易受太阳光影响的可见光偏振光探测，日盲区紫外偏振光探测具有更重要的应用价值。
宽禁带半导体氧化镓的带隙为4.8eV，对应光学波长为258nm，恰好位于日盲区内，是日盲区紫外探测的首选材料。其中，β相三氧化二镓的晶系为单斜晶系，一般容易生长成纳米片或纳米带形式，低维的纳米带使得氧化镓具有更明显的光学各向异性，对于不同方向的入射偏振光，基于该氧化镓纳米带的探测器展现出不同的光电流，可实现直接日盲区紫外偏振光探测；基于其各向异性而制备出的偏振光探测器以及其表现出的非常快的光响应速度使日盲区紫外偏振光直接成像技术成为可能。
发明内容
本发明提供了一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器、其制备方法及偏振成像装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器，包括：
IC插座台面，其上设有IC插座针脚；
硅片，其设置在IC插座台面上，其上附有二氧化硅层；以及
源电极、漏电极和半导体层，均设置在硅片的二氧化硅层上，半导体层位于源电极和漏电极之间，源电极和漏电极分别通过引线与IC插座针脚连接。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述直接探测器的制备方法，包括：
在硅片的二氧化硅层上制备半导体层；
在二氧化硅层上，位于半导体层的左右两侧的位置上分别制备源电极和漏电极；
将上述制备完成的器件固定在设有两个针脚的IC插座上，从源电极和漏电极两端分别引线至IC插座的两个针脚，即得到所述基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种内含有如上所述的直接探测器或如上所述制备方法获得的直接探测器。
从上述技术方案可以看出，本发明基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器、其制备方法及偏振成像装置，至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，其半导体层为氧化镓纳米带，带隙为4.8eV，对应波长258nm，可探测波长小于258nm的日盲区紫外线；
(2)本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，其半导体层为β相三氧化二镓，晶系为单斜晶系，具有很明显的光学各向异性，对偏振光敏感，其敏感性具体表现为：该探测器对偏振方向平行于沟道方向的入射偏振光响应最强，对偏振方向垂直于沟道方向的入射偏振光响应最弱。通过旋转卡槽180°，即改变纳米带与入射光偏振光方向的夹角，得到0°-180°的光电流，光电流会出现最大值和最小值，最大值时探测器的沟道方向代表入射光的偏振方向，实现入射偏振光直接探测，其“直接”性即在于只需旋转卡槽即可完成入射光的偏振方向判断；
(3)本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接成像，其像元为纳米级的纳米带且氧化镓的光响应时间为微秒级别，可实现高分辨且快速的扫描目标；
(4)本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的制备方法涉及到的技术包括：物理气相沉积、电子束曝光、磁控溅射和退火技术，这些技术现已可以商用，因此可实现该日盲区紫外偏振光探测器的量产；
(5)本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接成像技术，可二维式地扫描完成图像采集，并通过旋转探测器所插的IC卡槽，改变探测器中纳米带的角度，完成一组不同角度下的图像采集，实现偏振光直接成像。
附图说明
图1为本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的结构示意图；
图2为本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的俯视图；
图3为本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的前视图；
图4为本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的制备方法流程图；
图5为本发明提供的基于探测器的日盲区紫外偏振光直接成像结构示意图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
11-IC插座针脚；12-IC插座台面；13-铝丝；14-硅片；15-二氧化硅层；16-金属钛层；17-金属金层；18-半导体层；19-金属钛层；20-金属金层；21-铝丝；22-IC插座针脚。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器，包括：
IC插座台面，其上设有IC插座针脚；
硅片，其设置在IC插座台面上，其上附有二氧化硅层；以及
源电极、漏电极和半导体层，均设置在硅片的二氧化硅层上，半导体层位于源电极和漏电极之间，源电极和漏电极分别通过引线与IC插座针脚连接。
在本发明的一些实施例中，所述半导体层包括纳米带形貌。
在本发明的一些实施例中，所述纳米带包括β相三氧化二镓纳米带。
在本发明的一些实施例中，所述源电极和漏电极均包括下钛层上金层式结构；其中，钛层的厚度为40至100nm，金层的厚度为50至150nm，钛层和金层的长度均为20至500μm，钛层和金层的宽度均为30至200μm。
在本发明的一些实施例中，所述半导体层与漏电极和源电极的接触均为欧姆接触；
在本发明的一些实施例中，所述偏振光探测器的探测波段为日盲区紫外线波段；
在本发明的一些实施例中，所述半导体层的宽度为0.03至3μm，厚度为20至200nm，长度大于5μm，沟道宽度为1至20μm。
本发明还公开了如上所述直接探测器的制备方法，包括：
在硅片的二氧化硅层上制备半导体层；
在二氧化硅层上，位于半导体层的左右两侧的位置上分别制备源电极和漏电极；
将上述制备完成的器件固定在设有两个针脚的IC插座上，从源电极和漏电极两端分别引线至IC插座的两个针脚，即得到所述基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器。
在本发明的一些实施例中，在所述二氧化硅层上，位于半导体层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极，包括：
在半导体层上旋涂掩模材料；
设计电极图版，在掩模材料上刻蚀出源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积源电极和漏电极；
将掩模材料洗去，得到所述源电极和漏电极。
在本发明的一些实施例中，所述掩模材料包括聚甲基丙烯酸甲酯；
在本发明的一些实施例中，采用电子束刻蚀方法刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域。
本发明该公开了一种偏振成像装置，内含有如上所述的直接探测器或如上所述制备方法获得的直接探测器。
在本发明的一些实施例中，包括集成电路组，集成电路组上设有可旋转的卡槽，所述直接探测器设置在卡槽内。
在一个示例性实施例中，本发明提供了一种基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，包括：
双针脚IC插座、含二氧化硅层硅片、源电极、漏电极、半导体层以及引线；
所述源电极、半导体层以及漏电极从左至右依次位于所述二氧化硅层上方；
所述衬底、半导体层、源电极和漏电极形成的整体结构固定于一个拥有两个针脚的IC插座上；
所述宽禁带半导体层为N型β相三氧化二镓纳米带；所述源电极和漏电极的材料均为下钛上金的金属材料。金属钛的功函数为4.33eV，非常接近于所述半导体层的功函数(4.11eV)，电极的上层金属为惰性金属金，一定厚度的金可以降低接触电阻并保护金属钛。通过在400℃的氩气中退火1分钟后，可实现欧姆接触。
所述偏振光探测器的探测波段为日盲区紫外线，其波长小于或等于258nm。
其中，所述半导体层的宽度在0.03至3μm，厚度为20至200nm，长度大于5μm，沟道宽度为1至20μm，所述源电极和漏电极中，钛的厚度为40至100nm，金的厚度为50至150nm，长和宽分别为20至500μm和30至200μm。所涉及的长、宽和厚方向依次为图1中的横向、竖向以及图2中的竖向。
一种如上所述的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的制备方法，包括：
在二氧化硅衬底上制备宽禁带三氧化二镓纳米带，带隙为4.8eV，对应波长258nm；
在所述二氧化硅衬底上，位于半导体层的左右两侧的位置，制备漏电极和源电极；
将所述衬底、半导体层、源电极和漏电极形成的整体结构固定于一个拥有两个针脚的IC插座上。从源电极和漏电极两端分别引线至IC插座的两个针脚，得到所述基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器。
其中，在所述二氧化硅衬底上，位于半导体层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极，包括：
在所述二氧化硅衬底上制备半导体层结束后，旋涂掩模材料；
设计电极图版，在所述掩模材料上刻蚀出所述源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积所述源电极和漏电极；
将所述掩模材料洗去，得到所述源电极和漏电极；
其中，所述掩模材料为PMMA材料，采用电子束刻蚀方法刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域。
其中，采用磁控溅射方法沉积所述源电极和漏电极材料并在氩气中400℃退火1分钟。
其中，采用丙酮，乙醇及去离子水依次对所述掩模材料进行清洗。
其中，采用铝丝焊机引线。
如图5所示，本实施例采用基于上述探测器的日盲区紫外偏振光直接成像方法如下：
成像设备包括：可调焦式透镜组、集成电路组、旋转台、电动步进机、步进机控制器、电脑主机及显示器。
成像原理：透镜组和集成电路组前后装配且固定于旋转台上，上述探测器安装在集成电路上的卡槽内且探测器上的纳米带与透镜焦面平行，卡槽可360度旋转；电动机控制旋转台左右，上下两个方向旋转，从而带动透镜组左右，上下扫描；集成电路端通过数据线连接至电脑端口。成像期间，图像经过透镜组投射在探测器上，通过调节探测器前后位置使其位于像的焦面上，电动步进机控制旋转台上下左右式地扫描整个图像，集成电路将光电流转换成灰度信息从而在显示器上显示出扫描后的完整图像；通过旋转卡槽，改变探测器的角度，呈现一组不同角度下的图像，完成日盲区紫外偏振光直接成像。
其中，所述可调焦式透镜组、集成电路组、旋转台、电动步进机、步进机控制器、电脑主机及显示器皆可由生产厂商订制。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例提供了一种基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，如图1-3所示，包括：
IC插座针脚11、IC插座台面12、铝丝13、硅片14、二氧化硅层15、金属钛层16和金属金层17组成的源电极、半导体层18、金属钛层19和金属金层20组成的漏电极、铝丝21、IC插座针脚22。
源电极(16和17)、半导体层18以及漏电极(19和20)从左至右依次位于二氧化硅层15上方；
半导体层18的材料为β相三氧化二镓纳米带。
本发明的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，通过使用半β相三氧化二镓作为半导体层，而源电极、漏电极均为金属材料，结构为下钛上金。
在本实施例中，本发明提供的基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器，半导体层为β相三氧化二镓纳米带，属单斜晶系，在物理气相沉积过程中形成纳米带结构，沿着晶体表面结构上和光学上都具有高的各向异性，对偏振光具有敏感性。其敏感性具体表现为：该探测器对偏振方向平行于沟道方向的入射偏振光响应最强，对偏振方向垂直于沟道方向的入射偏振光响应最弱。在漏电极施加正电压时，无日盲区紫外光照射下，由于半导体属于宽禁带，电阻大，因此电流几乎为零；当日盲区紫外光照射到沟道处的半导体时，价带电子吸收光子跃迁至导带中，参与导电，形成光电导，电流瞬间增大，其开关比(开态电流与关态电流比)可达104级别。由于半导体层的光学各向异性，当入射光具有偏振性时，旋转探测器的角度，即改变入射光的偏振方向和探测器中氧化镓纳米带的夹角，探测器产生的光电流将发生改变。通过旋转卡槽180°，得到0°-180°的光电流，光电流会出现最大值和最小值，最大值时探测器的沟道方向代表入射光的偏振方向，实现偏振光探测。
基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接成像技术，可二维式地扫描图像，完成图像采集。同偏振光探测方法，可通过旋转探测器所插的IC卡槽，改变探测器中纳米带的方向，完成一组不同角度下的图像采集，实现偏振光直接成像。
在本实施例中，源电极和漏电极的下层金属材料为钛，其功函数为4.33eV，非常接近于所述半导体层的功函数(4.11eV)，电极的上层金属为惰性金属金，一定厚度的金可以降低接触电阻并保护金属钛。通过在400℃的氩气中退火1分钟后，可实现欧姆接触。
其中，半导体层氧化镓纳米带的宽为1μm左右，厚度小于40nm，长为20μm左右，沟道宽度为1μm，所述源电极和漏电极中，钛的厚度为50nm，金的厚度为100nm，长和宽分别为50μm和30μm。所涉及的长、宽和厚方向依次为图1中的横向、竖向以及图2中的竖向。
本实施例还提供了一种基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器的制备方法，如图4所示，该方法包括：
S41，在二氧化硅层上制备高质量半导体层；
S42，在二氧化硅衬底上，位于半导体层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极并退火处理；
S43，将包括半导体层和电极层的硅片背面固定于IC插座的台面上，并从源漏电极两端分别引线至IC插座的两个针脚，得到基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器。
在本实施例中，可以通过物理气相沉积能够在二氧化硅层上沉积高质量的纳米带，该纳米带为三氧化二镓。
在本实施例中，步骤S42，包括：
在生长有半导体纳米带的硅片上，旋涂掩模材料；
设计电极图版，在掩模材料上刻蚀出所述源电极和漏电极的电极区域，分别位于纳米带的左右两端；
在硅片上先后溅射沉积Ti金属和Au金属；
将掩模材料洗去，得到源电极和漏电极。
在本实施例中，掩模材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，采用电子束刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域；采用磁控溅射方法沉积所述源电极和漏电极；采用丙酮，乙醇及去离子水依次对掩模材料进行清洗，退火条件为400℃、1分钟，采用铝丝焊机进行引线。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氧化镓日盲紫外偏振光的直接探测器，其特征在于，包括：
IC插座台面，其上设有IC插座针脚；
硅片，其设置在IC插座台面上，其上附有二氧化硅层；以及
源电极、漏电极和半导体层，均设置在硅片的二氧化硅层上，半导体层位于源电极和漏电极之间，源电极和漏电极分别通过引线与IC插座针脚连接。
2.根据权利要求1所述的直接探测器，其特征在于，
所述半导体层包括纳米带形貌。
3.根据权利要求2所述的直接探测器，其特征在于，
所述纳米带包括β相三氧化二镓纳米带。
4.根据权利要求1所述的直接探测器，其特征在于，
所述源电极和漏电极均包括下钛层上金层式结构；其中，钛层的厚度为40至100nm，金层的厚度为50至150nm，钛层和金层的长度均为20至500μm，钛层和金层的宽度均为30至200μm。
5.根据权利要求1所述的直接探测器，其特征在于，
所述半导体层与漏电极和源电极的接触均为欧姆接触；
所述偏振光探测器的探测波段为日盲区紫外线波段；
所述半导体层的宽度为0.03至3μm，厚度为20至200nm，长度大于5μm，沟道宽度为1至20μm。
6.如权利要求1至5任一项所述直接探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在硅片的二氧化硅层上制备半导体层；
在二氧化硅层上，位于半导体层的左右两侧的位置上分别制备源电极和漏电极；
将上述制备完成的器件固定在设有两个针脚的IC插座上，从源电极和漏电极两端分别引线至IC插座的两个针脚，即得到所述基于宽禁带半导体氧化镓的日盲区紫外偏振光直接探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
在所述二氧化硅层上，位于半导体层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极，包括：
在半导体层上旋涂掩模材料；
设计电极图版，在掩模材料上刻蚀出源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积源电极和漏电极；
将掩模材料洗去，得到所述源电极和漏电极。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述掩模材料包括聚甲基丙烯酸甲酯；
采用电子束刻蚀方法刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域。
9.一种偏振成像装置，内含有如权利要求1至5任一项所述的直接探测器或如权利要求6至8任一项所述制备方法获得的直接探测器。
10.根据权利要求9所述的偏振成像装置，其特征在于，包括集成电路组，集成电路组上设有可旋转的卡槽，所述直接探测器设置在卡槽内。
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