CN111562020B - 一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,所述横向热电薄膜外延地生长在所述斜切衬底表面;所述第一电极与所述第二电极分别设置在所述横向热电薄膜表面沿斜切衬底方向两端;所述具有超结构表面的红外吸收器设置在所述第一电极与所述第二电极之间,与所述横向热电薄膜耦合在一起,且与所述第一电极、所述第二电极绝缘;本发明的有益效果为实现对中远红外光的高效探测和快响应探测;可以实现对中远红外光的室温探测;实现对特定波长的红外光的选择性探测,实现对不同偏振光的选择性探测,可应用于非色散红外气体传感器。结构简单,通过薄膜沉积工艺制作,制作工艺与COMS工艺兼容,易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及红外光探测器件领域,尤其是一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法。
背景技术
红外光电探测器是将入射的红外辐射信号转变为电信号输出的器件。红外辐射的波长介于可见光和微波之间,人眼察觉不到,红外探测器将其转变为电信号输出,这对目标的探测和图像的获取起重要作用,特别是在夜间或者在黑暗环境中,红外探测技术使观测和监视热辐射物体,及探测和跟踪机动目标变得轻而易举。因此在日常生活和武器装备等领域发挥重要作用。
根据工作原理不同,红外探测器可以分为两大类,一类是热敏型红外探测器,另一类为光子型红外探测器。热敏型红外探测器接收到红外辐射后,先引起灵敏元的温度变化,温度变化产生与之成比例的电信号(或者其他物理量变化再转化为电信号)输出,实现对红外光的探测。常见的热敏型红外探测器如:温差电型探测器、热释电型探测器,以及热敏电阻型探测,这类探测器的光电转换源于吸收光辐射引起的温度变化,与吸收的红外辐射的波长没有关系,因此,红外光探测不具有波长选择性。与之不同,光子型红外探测器接收红外辐射后,由于吸收红外光子的能量,直接将材料的束缚态电子激发成传导电子,因而引起电信号输出,电信号的大小决定于吸收的光子数。这些红外光子的能量必须要足够大,才可以将束缚态电子激发到激发态,低于电子激发能的辐射不能被吸收转变为电信号,因此不被探测。所以,能被光子型红外探测器探测的红外光子必须满足一定的能量要求,即对红外辐射的探测具有波长选择性。常用的光子型红外探测器包括:光电型探测器、光伏型探测器和光磁探测器。
一般光子型探测器的灵敏度较高,与热敏型红外探测器相比,大约高出两到三个数量,并且光子型探测器的响应速度也较快,热敏型红外探测器的响应时间一般在微秒量级,与之相比,光子型红外探测的响应速度要出几个数量级,如:光伏型红外探测器的响应时间在纳秒量级或者更快。尽管如此,由于光谱响应的选择性,光子型红外探测器只对短于某一特定波长(称为截止波长)的红外辐射有响应,因此,对于探测光子能量较小的中远红外光,就需要选择电子激发能较低的光敏材料(如:窄禁带半导体)来制作红外探测探测器。由于电子激发能较低,光探测容易受到环境因素的干扰,因此这类器件往往需要在真空和绝热的低温环境下工作,这大大增加了器件制作的技术难度和造价成本。因此,实现高灵敏、快响应,且具有光谱选择性响应的中远红外探测器件,依赖于新型探测技术和器件的开发和研制。
光辐照外延生长在斜切衬底上且具有电输运各向异性的薄膜,可以在其表面沿衬底斜切方向诱导产生横向的热电压响应,这为光探测技术提供了新思路。外延生长在斜切衬底上,且具有电输运各向的薄膜被称为横向热电薄膜,由于具有电输运各向异性,这类薄膜的表面存在非对角的热电张量元,当光辐照在垂直于薄膜表面的方向上产生温差时,可以在薄膜表面沿倾斜方向探测到几伏甚至几十伏的高灵敏热电压信号。由于这种电压信号与辐照光的能量具有良好的线性关系,应用于光探测可以制作基于横向热电效应的热敏型光探测器。由于横向热电压信号的响应时间往往只有几十个纳秒甚至更短,因此,基于这种非对角热电张量元的横向热电效应的光探测器还具有快响应的特点;此外,这种光探测器进行光探测时无需制冷,也无需加偏压,即便在室温下工作也依然具有高灵敏、快响应的特点,可以弥补传统热敏型光探测器的不足。
但是,由于这种光探测器同样是基于光吸收诱导光-热-电转化的原理,光敏材料只要吸收光子能量就会在横向热电薄膜的上下表面形成温差,诱导产生热电压响应,因此,从紫外光到红外光,无论哪种波长的光辐照薄膜都会产生电压响应,光探测器具有宽光谱响应的特征,不能实现光谱的选择性响应。另外,由于中远红外光在光敏薄膜中的穿透深度较大,因此,光辐照在薄膜上下表面产生的温差较小,采用基于横向热电效应的光探测器探测中远红外光的灵敏不高。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,采用具有超结构表面的金属薄膜吸收中远红外光,将光能转变为热能,实现光热转换,再将热能瞬间传递给其下方具有横向热电效应的热电薄膜,只加热薄膜的上表面,在薄膜的上下表面产生温差,在薄膜表面产生横向热电压响应。即:采用具有不同结构的薄膜材料,分两步进行高效的光-热,热-电转换,实现对中远红外光的高灵敏、快响应探测。
本发明采用的技术方案如下:
一种超结构表面耦合横向热电薄膜的中远红外光探测器,是将具有超结构表面的红外吸收器耦合到具有横向热电压响应的热电薄膜表面所构成的,包括:斜切衬底,横向热电薄膜,第一电极、第二电极以及具有超结构表面的红外吸收器;横向热电薄膜外延地生长在斜切衬底表面,所述第一电极与所述第二电极分别设置在横向热电薄膜表面沿衬底斜切方向的两端,具有超结构表面的红外吸收器在横向热电薄膜表面的两个电极之间与横向热电薄膜耦合在一起,且与第一电极以及第二电极绝缘。
传统的热敏型光探测器是基于光吸收诱导光-热-电转化的原理,光敏薄膜通过吸收光子能量在薄膜的上下表面形成温差,诱导产生热电压响应,因此无论什么波长的光辐照射薄膜会产生电压响应,无法实现光谱的选择性响应,并且由于吸收中远红外光在光敏薄膜中引起的温差较小,因此对中远红外光的探测不灵敏;采用本发明提供的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,实现了结构简单的光探测器,和兼具有高灵敏、快响应,和光谱选择性以及可以在室温下工作的中远红外探测器。
更进一步的,所述具有横向热电压响应的薄膜为在斜切衬底上外延生长氧化物薄膜,且其化学式为L1-xAxBO3+z或L2-xAxBO4+z,其中L为三价稀土原子,A为二价金属原子,B为过渡金属原子,x小于2,z小于1。
上述化学式中的L为三价稀土原子La、Nd、Pr、Sm、Eu、Ce中的一种或几种的组合,A为二价金属原子Ca、Sr、Ba、Pb中的一种或几种的组合,B为过渡金属原子Cu、Mn、Ni、Co、Fe、Ti的一种或几种的组合;x小于2,z小于1。
更进一步的,所述横向热电薄膜的厚度为100nm—500nm。
更进一步的,所述斜切衬底为LaAlO3、SrTiO3、LaSrAlO4或者NaCaAlO4的单晶体,斜切方向为衬底的〈001〉晶向向〈100〉方向倾斜,使斜切衬底的表面法向相对于衬底材料的〈001〉晶向有一个夹角,其大小在5°—30°范围。
更进一步的,所述两个电极由5nm粘结层和80nm的Au膜构成。两个电极分布在横向热电薄膜表面沿衬底斜切方向的两端,焊接引线后进行信号采集。
更进一步的,所述具有超结构表面的红外吸收器包括表面图案化的金属薄膜与介质薄膜,且所述介质薄膜与所述表面图案化的金属薄膜依次沉积在所述横向热电薄膜表面上。
更进一步的,所述图案化金属薄膜为厚度为20nm—200nm的Au薄膜或Ag薄膜,且所述的Au薄膜或者Ag薄膜的表面存在圆孔,或者椭圆孔或立方柱呈四方对称或者六方对称有序分布的纳米图案。
上述表面图案化的金属薄膜为:表面存在圆孔、椭圆孔或立方柱呈四方对称或者六方对称分布的金属Au膜,或者存在圆孔、、椭圆孔或立方柱呈四方对称或者六方对称分布的金属Ag膜,金属膜的厚度为20nm—200nm。在圆孔图案化的超结构金属薄膜中,圆孔的直径为0.10μm—2μm,图案周期为0.20μm—5μm。在立方柱图案化的超结构金属薄膜中,立方柱的边长为0.10μm—2μm,图案周期为0.20μm—5μm。
更进一步的,所述介质薄膜为厚度为5nm—15nm的AlN薄膜、Be3N2薄膜,Si3N4薄膜、Al2O3薄膜、或者SiO2薄膜。
更进一步的,所述具有超结构表面的红外吸收器和横向热电薄膜的耦合方式有两种,其一为:先在横向热电薄膜表面的两个电极之间沉积厚度为5nm—20nm的绝缘层,再依次沉积厚度在10nm—80nm的金属Au薄膜反射层,介质薄膜和表面图案化的金属薄膜,制作成超结构表面耦合横向热电薄膜的中远红外光探测器。
上述绝缘层为:AlN薄膜、Be3N2薄膜,Si3N4薄膜、Al2O3薄膜、或者SiO2薄膜。
所述具有超结构表面的红外吸收器和横向热电薄膜的另外一种耦合方式为:在横向热电薄膜表面的两个电极之间,依次沉积介质薄膜和表面图案化的金属薄膜,制作成超结构表面耦合横向热电薄膜的中远红外光探测器。
本发明还公开了一种超结构表面耦合横向热电薄膜的中远红外光探测器的制作方法,其特征在于,所述光探测器的制作方法步骤包括:
A.通过脉冲激光沉积方法在纯氧的环境下对横向热电薄膜进行沉积,横向热电薄膜沉积完成后依次进行退火、降温、退火,待温度降到室温,横向热电薄膜沉积完成;
B.采用掩膜版掩蔽横向热电薄膜沿斜切方向的两端,通过溅射方法在横向热电薄膜上沉积反射层与介质层;
C.采用聚苯乙烯球光刻工艺在介质层上制备图案化的金属薄膜;
D.通过掩膜板掩蔽图案化的金属薄膜,通过溅射方法在横向热电薄膜两侧沉积5nm粘结层和80nm的Au膜电极。
本发明还公开了一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器的制作方法,其特征在于:所述光探测器的制作方法步骤包括:
A.通过脉冲激光沉积方法在纯氧的环境下对热电薄膜进行沉积,热电薄膜沉积完成后依次进行退火、降温、退火,待温度降到室温,热电薄膜沉积完成;
B.采用掩膜版掩蔽横向热电薄膜沿斜切方向的两端,通过溅射方法在热电薄膜上沉积绝缘层,并进行退火,退火完成后在绝缘层上依次沉积反射层与介质层;
C.采用聚苯乙烯球光刻工艺在介质层上制备图案化的金属薄膜;
D.通过掩膜板掩蔽图案化的金属薄膜,通过溅射方法在热电薄膜两侧沉积5nm粘结层和80nm的Au膜电极。
本发明所采用的发明原理:红外光辐照图案化金属薄膜的超结构表面,引起自由电子的集体谐振,将光能转化为热能;由于具有特殊图案的表面超结构的金属薄膜只能吸收某一特定波长的红外光,光吸收具有波长选择性,同时,由于超结构表面对红外光局域化限制作用,而且几乎可以吸收全部光子能量,因此,可以在超结构表面产生大量的热;由于热量传递到的横向热电薄膜的上表面所需要的时间只在200fs左右,比热量在横向热电薄膜中传递的时间常数小3到4个数量级,因此,只有薄膜的上表面被加热,可以在薄膜的上下表面产生很大的温差,进而在横向温差电效应的作用夏,在薄膜的上表面诱导产生巨大横向热电压响应,将光信号转变为电信号输出,实现对中远红外光的高灵敏、快响应探测。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1.采用本发明提供的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法,采用具有超结构表面的金属薄膜与横向热电薄膜耦合,进行光-热-电转换,可以实现对中远红外光的高效探测和快响应探测;
2.采用本发明提供的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法,用于光探测无需制冷,无需偏压,可以实现对中远红外光的室温探测;
3.采用本发明提供的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法,采用金属超结构表面吸收红外光,并将光能转变为热能,然后再通过横向热电薄膜将热能转变为电信号输出,因此可以通过金属超结构表面的图案设计,实现对特定波长的红外光的选择性探测,实现对不同偏振光的选择性探测,可应用于非色散红外气体传感器。
4.本发明提供的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器及制作方法,结构简单,通过薄膜沉积工艺制作,制作工艺与COMS工艺兼容,易于规模化生产。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1一种通过中间绝缘层耦合超结构表面和横向热电薄膜的光探测器的结构示意图.
图2圆孔呈六方对称分布形成超结构的中远红外光探测器表面示意图.
图3圆孔呈四方对称分布形成超结构的中远红外光探测器表面示意图.
图4立方柱呈四方对称分布形成超结构的中远红外光探测器表面示意图.
图5立方柱呈六方对称分布形成超结构的中远红外光探测器表面示意图.
图6图案化金属薄膜和介质层直接耦合到横向热电薄膜的中远红外光探测器的结构示意图.
图7超结构表面耦合横向热电薄膜中远红外光探测器的光探测示意图.
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例公开了一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,所述超结构表面通过中间绝缘层5与横向热电薄膜2耦合,所形成的探测器的结构如图1所示,该探测器的包括:斜切衬底1,和外延生长在斜切衬底1上的横向热电薄膜2,斜切衬底1的表面法向相对于衬底1的〈001〉晶向存在一个倾斜角,其大小在5°—30°范围,并且衬底1的晶格与横向热电薄膜2的晶格相匹配。在横向热电薄膜2表面沿衬底斜切方向的两端,先沉积一层厚度为5nm的Ti膜(或者Cr膜)粘结层3,然后在粘结层上沉积80nm厚的Au膜电极涂层4,在电极涂层4上焊接引线后用作电极采集在横向热电薄膜2表面产生的电压信号。在两个电极涂层4之间的中间区域,先在横向热电薄膜2的表面沉积一层厚度为10nm的绝缘层5,以避免探测器短路,然后依次在绝缘层5上沉积金属反射层6和介质层7,最后,在介质层7上通过光刻工艺制备图案化的金属薄膜8形成超结构表面,即制作成一种超结构表面耦合横向热电薄膜2的中远红外光探测器。
探测器的超结构表面可以是存在圆孔呈四方对称或者六方对称分布的金属膜如图2和图3所示,也可以是存在立方柱呈四方对称或者六方对称分布的金属薄膜8如图4和图5所示,通过调节圆孔直径(或者立方柱的边长)以及有序图案的尺度周期和分布对称性,实现对不同波长的红外光的选择性探测。通过将呈四方对称或者六方对称分布圆孔改变为椭圆孔制备表面超结构,实现对不同偏振的红外光的选择性探测。
实施例二
本实施例是基于实施例一的基础上,公开了一种超结构表面耦合横向热电薄膜2的光探测器,所述具有超结构表面的金属薄膜和介质层形成红外光吸收器,直接沉积到横向热电薄膜2表面形成中远红外光探测器,其结构如图6所示,该探测器的包括:斜切衬底1,和外延生长在斜切衬底上的横向热电薄膜2,同样,斜切衬底的表面法向相对于衬底1的〈001〉晶向存在一个倾斜角,其大小在5°—30°范围,并且衬底1的晶格与横向热电薄膜2的晶格相匹配。在横向热电薄膜2的两端,先沉积一层厚度为5nm的Ti膜(或者Cr膜)的粘结层3,然后在粘结层3上再沉积80nm厚的Au膜用作电极涂层4,在电极涂层4上焊接引线后构成电极采集在横向热电薄膜2表面产生的电压信号;在两个电极涂层4之间的中间区域,直接在横向热电薄膜2表面沉积介质层7,再在介质层7上通过光刻工艺制备图案化的金属薄膜8形成超结构表面,即制作成一种超结构表面耦合横向热电薄膜2的中远红外光探测器。
探测器的超结构表面可以是存在圆孔呈四方对称或者六方对称分布的金属薄膜8如图2和图3所示,也可以是存在立方柱呈四方对称或者六方对称分布的金属膜如图4和图5所示,通过调节圆孔直径(或者立方柱的边长)以及有序图案的尺度周期和分布对称性,实现对不同波长的红外光的选择性探测。通过将呈四方对称或者六方对称分布圆孔改变为椭圆孔制备表面超结构,实现对不同偏振的红外光的选择性探测。
实施例三
本实施例是基于实施例一和实施例二的一种超结构表面耦合横向热电薄膜2的光探测器的使用方法,如图7所示,连续红外光通过斩波器17后入射到红外探测器18,将光信号转变为电信号输出,电信号的大小通过锁相放大器记录;脉冲红外光可以直接热射到红外探测器18,产生时间分辨的电压信号通过示波器采集。
实施例四
本实施例基于实施例一公开一种圆孔呈六方对称分布图案化金属Au膜超结构表面耦合斜切LaAlO3衬底上(La1.45Nd0.4)Sr0.15CuO4薄膜,制作中红外光探测器的方法。探测器的制作步骤如下:
(1)(La1.45Nd0.4)Sr0.15CuO4横向热电薄膜2的制备,以LaAlO3单晶为衬底1,衬底1的表面法向相对于衬底1的〈001〉晶向倾斜15°。采用脉冲激光沉积的技术在斜切衬底1表面生长(La1.45Nd0.4)Sr0.15CuO4薄膜,薄膜生长过程为:采用波长为248nm的脉冲激光辐照(La1.45Nd0.4)Sr0.15CuO4多晶体靶材,产生高能原子在衬底表面沉积形成薄膜,单激光脉冲能量为400mJ,激光脉冲重复频率为5Hz。用于薄膜生长的真空腔的背景真空度为10-5Pa,靶材与衬底的间距为5cm,薄膜的生长温度为850℃,薄膜沉积厚度为200nm。在薄膜沉积过程中向薄膜生长的真空腔体内通入20Pa的流动的高纯氧气,薄膜沉积完成后原位退火5min,然后,关闭流动氧气,将温度降低到600℃,向真空腔体内通入200Pa的高纯氧气,使薄膜在该环境下退火30min,最后,将温度降到室温完成薄膜的外延生长过程。
(2)绝缘层5,金属反射层6和介质层8的制备,首先,采用掩膜版掩蔽横向热电薄膜2沿斜切方向的两端,然后,采用溅射的方法在横向热电薄膜的中间沉积一层厚度为8nm的Al2O3绝缘层5,原位退火5min,然后在绝缘层5表面依次沉积25nm的Au反射层6和7nm的Al2O3介质层7。
(3)表面超结构的制备,采用聚苯乙烯(PS)球光刻工艺制备表面圆孔按六方对称分布的超结构。如下:首先将上述步骤(2)制备的样品浸没在盛有去离子水的塑料容器中,然后将PS球的溶液沿倾斜30°放置的玻璃片缓慢注入到塑料容器,在去离子水表面形成PS球的单层膜,缓慢抽掉去离子水,在样品的表面形成PS球的单层膜,PS球的直径约为2.5μm,采用氧等离子体的反应离子束刻蚀(RIE)工艺按照2nm/s的速率减小PS球的尺寸。然后,采用电子束蒸发的方法在PS球单层膜表面沉积一层80nm的Au膜,最后采用四氢呋喃溶液清除掉样品表面的PS球,制备得到表面圆孔呈六方对称分布的超结构。表面上圆孔直径大小通过前述RIE工艺改变PS球的直径来调节。
(4)电极的制备,采用掩膜版掩蔽步骤(3)制备的表面超结构区域,在样品的两端依次溅射沉积5nm的金属Cr膜和80nm的Au膜用于电极涂层4。最后,在电极涂层4上焊接电极引线即完成器件的制作。
该中远红外光探测器采用实施例三所公开的方法用于红外光探测,并且,通过调节器件表面圆孔的直接大小,采用该探测器可以实现对不同波长的中远红外光选择性探测。例如:当圆孔直径为1.4μm时可以选择性地探测波长为3.6μm中红外光。
综上所述,本发明采用的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的中光探测器及制作方法,可以实现对中远红外光的高效、快响应探测,可以实现对中远红外光的选频探测,可以实现对不同偏振光的探测,并且制作工艺与COMS工艺兼容,容易规模化生产。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:包括斜切衬底、横向热电薄膜、第一电极、第二电极以及具有超结构表面的红外吸收器;所述横向热电薄膜外延地生长在所述斜切衬底表面;所述第一电极与所述第二电极分别设置在所述横向热电薄膜表面沿斜切衬底方向的两端;所述具有超结构表面的红外吸收器设置在所述第一电极与所述第二电极之间,与所述横向热电薄膜耦合在一起,且与所述第一电极、所述第二电极绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述横向热电薄膜为在斜切衬底上外延生长氧化物薄膜,且其化学式为L1-xAxBO3+z或L2- xAxBO4+z,其中L为三价稀土原子,A为二价金属原子,B为过渡金属原子,x小于2,z小于1。
3.根据权利要求1或2所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述横向热电薄膜的厚度为100nm—500nm。
4.根据权利要求3所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述斜切衬底为LaAlO3、SrTiO3、LaSrAlO4或者NaCaAlO4的单晶体,其中斜切方向为衬底的〈001〉晶向向〈100〉方向倾斜,使斜切衬底的表面法向相对于衬底材料的〈001〉晶向有一个范围为5°—30°的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述具有超结构表面的红外吸收器包括表面图案化的金属薄膜与介质薄膜,且所述介质薄膜与所述表面图案化的金属薄膜依次沉积在所述横向热电薄膜表面上。
6.根据权利要求5所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述第一电极与所述第二电极之间依次在所述横向热电薄膜之间依次沉积厚度为5nm—20nm的绝缘层、厚度为10nm—80nm的金属Au薄膜反射层、介质薄膜以及表面图案化的金属薄膜。
7.根据权利要求5或者6所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述图案化金属薄膜为厚度为20nm—200nm的Au薄膜或Ag薄膜,且所述的Au薄膜或者Ag薄膜的表面存在圆孔,或者椭圆孔或立方柱呈四方对称或者六方对称有序分布的纳米图案。
8.根据权利要求5或6所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:所述介质薄膜为厚度为5nm—15nm的AlN薄膜、Be3N2薄膜,Si3N4薄膜、Al2O3薄膜、或者SiO2薄膜。
9.根据权利要求5或6所述的一种超结构表面耦合横向热电薄膜的光探测器,其特征在于:
A.通过脉冲激光沉积方法在纯氧的环境下对横向热电薄膜进行沉积,横向热电薄膜沉积完成后依次进行退火、降温、退火,待温度降到室温,横向热电薄膜沉积完成;
B.采用掩膜版掩蔽第一粘结层与第二粘结层,通过溅射方法在横向热电薄膜上沉积反射层与介质层;
C.采用聚苯乙烯球光刻工艺在介质层上制备金属薄膜;
D.通过掩膜版掩蔽图案化的金属薄膜,通过溅射方法在横向热电薄膜两侧沉积5nm粘结层和80nm的Au膜电极。
10.根据权利要求6所述的一种超结构表面横向热电薄膜的光探测器的制作方法,其特征在于:所述光探测器的制作方法步骤包括:
A.通过脉冲激光沉积方法在纯氧的环境下对横向热电薄膜进行沉积,横向热电薄膜沉积完成后依次进行退火、降温、退火,待温度降到室温,横向热电薄膜沉积完成;
B.采用掩膜版掩蔽横向热电薄膜沿斜切方向的两端,通过溅射方法在横向热电薄膜上沉积绝缘层,并进行退火,退火完成后在绝缘层上依次沉积反射层与介质层;
C.采用聚苯乙烯球光刻工艺在介质层上制备金属薄膜;
D.通过掩膜板掩蔽图案化的金属薄膜,通过溅射方法在横向热电薄膜两侧沉积5nm粘结层和80nm的Au膜电极。
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008002157A1 (de) * | 2008-06-02 | 2009-12-03 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Messung von Infrarot-Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung |
CN103943714A (zh) * | 2014-05-04 | 2014-07-23 | 中国科学院半导体研究所 | 基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器 |
CN104535197A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-22 | 杭州士兰集成电路有限公司 | 热电堆红外探测器及其制作方法 |
CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
CN106784120A (zh) * | 2016-12-08 | 2017-05-31 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4072864A (en) * | 1976-12-20 | 1978-02-07 | International Business Machines Corporation | Multilayered slant-angle thin film energy detector |
CN208155907U (zh) * | 2018-04-16 | 2018-11-27 | 云南大学 | 一种红外扫描检测森林树木成活情况的装置 |
-
2020
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008002157A1 (de) * | 2008-06-02 | 2009-12-03 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Messung von Infrarot-Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung |
CN103943714A (zh) * | 2014-05-04 | 2014-07-23 | 中国科学院半导体研究所 | 基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器 |
CN104535197A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-22 | 杭州士兰集成电路有限公司 | 热电堆红外探测器及其制作方法 |
CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
CN106784120A (zh) * | 2016-12-08 | 2017-05-31 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Enhanced Light-Induced Transverse Thermoelectric Effect in Tilted BiCuSeO Film via the Ultra-thin AuNPs Layer;Weiyuan Yu;《Nanoscale Research Letters》;20191231;第14卷(第367期);正文第2-3页、附图1 * |
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