CN111564504A - 一种日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了日盲紫外探测器及其制备方法。探测元件由上至下包括由金属和氧化物的多周期滤波结构(或称滤波层)，紫外吸收体、叉指电极层、衬底层；多周期滤波结构顶部，底部均为电解质隔离层；由金属薄膜和电介质薄膜交替的多周期滤波结构生长在探测器的电介质隔离层上。多周期滤波结构尤其是交替生长氧化铝和铝。探测器结构采用背电极MSM结构，金属叉指电极制备在紫外吸收体与衬底之间，光信号从器件正面经过滤波结构射入紫外吸收体中，以避免叉指电极的阻挡，有效提高吸收效率。可实现日盲紫外波段的高效探测，同时对可见光、红外波段具有高抑制作用。
Description
技术领域
本发明涉及紫外信号检测领域，更涉及一种利用分立光学元件滤波提高抑制比的日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光谱是指小于可见光波长的短光波，根据波长不同可以分为长波紫外线(320nm—400nm)，中波紫外线(280nm—320nm)，短波紫外线(200nm—280nm)，和真空紫外线(100nm—200nm)。长波紫外线的穿透能力较强，可以穿透地球大气的臭氧层，大部分都可以到达地面，因此又被称为“紫外窗口”；中波紫外线及其他紫外线的穿透能力很弱，几乎不能穿透地球的大气臭氧层到达地球表面，因此这一部分光波在大气中存在极少，故人们通常称为“日盲区紫外波段”。在实际生活中，如果我们要对某一事物进行探测时，虽然使用其他波段的光也可以实现探测，但是由于其他光波在大气环境中大量存在，就会干扰我们探测的准确性。而实际物体辐射的光波中，须包含有一部分波长在日盲区的光波，如果对这一部分的光进行探测，由于大气环境中该波段光波极少，因此我们可以准确捕捉到对应物体的信息，而不受环境干扰，大大提升探测的准确度。紫外光探测是重要的研究领域，它在军事、天文、气象、电力安全等领域都有着广泛的应用。
从地球空间背景辐射光谱可以看出，地球大气空间中日盲紫外波段的背景辐射比可见光波段和红外波段背景辐射至少低3-4个数量级，因此，在做日盲紫外探测时，其他波段的光会对我们的探测产生强烈的干扰。考虑到地球背景辐射在可见光部分远高于日盲紫外波段，如果探测器的紫外-可见光抑制比小于105，则此时探测器对日盲紫外波段和其他波段光波的实际的探测效率会极为接近，这样无法对释放日盲紫外波段信号的目标进行有效探测，导致虚警率提高。所以，制备紫外-可见光抑制比高于105的探测器是空间应用的前提条件。
传统的紫外探测器存在至少三个问题。其一，电极的叉指结构通常制作在探测器正面，这些电极结构会阻挡光波进入探测器中，降低探测器对光的捕获和响应能力。其二，紫外吸收体在材料生长过程中，不可避免地引入杂质和缺陷，而这些深能级杂质和缺陷会在可见或红外波段出现吸光现象，干扰探测信号；第三，基于金属-半导体结构的探测器由于金属中的热电子效应受到较小势垒的影响而产生内光发射(internal photoemission)而导致探测器对可见光具有一定的响应特性，严重降低紫外-可见光抑制比。
为了获得高抑制比、减少虚警率，传统的紫外探测系统通常采用生长多层缓冲层的方法，来减少缺陷密度、提高材料质量，从而在提高紫外探测效率的同时，减少对其他波段的探测响应。这样的方法使得探测器结构和生产工艺复杂，需要精确控制材料生长质量，不利用大规模生产；另外，缓冲层由于掺杂浓度不同导致能带有所变化，也可能会对其他光波产生吸收，产生错误响应。
光学滤波器结构是一种对光波进行过滤的结构，已在各个领域得到了广泛应用。滤波本质上是一种从噪声、杂散信号中提取原始有用信号所携带的信息的过程。光学滤波器通过特殊的设计，可以允许特定波长的光波(达到波矢匹配条件)通过而其他波段将被滤除，这样我们就能够得到想要的信号波段。对于常见的紫外探测器，我们只希望探测到对应的紫外波段，不希望受到其他波段光源的干扰，因此，我们用滤波器结构首先滤除掉其他杂散光波、噪声光波，只留下有用的信号光波，即提高紫外与可见或红外的抑制比。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明目的是，提供一种高抑制比MSM紫外探测器结构和制备方法。在探测器前端设计制造出滤波结构，可有效提高探测器抑制比。将叉指电极制作于探测器背面(即位于紫外吸收体与衬底之间)，可以有效避免金属电极对紫外光的遮挡与吸收损耗，使入射光信号不受阻挡地直接进入紫外吸收体中，从而提高吸收率和响应度。在紫外吸收体与滤波结构之间设计隔离层，可以阻止光生载流子进入滤波结构的金属层中，提高载流子收集效率，同时减少噪声。钝化层的设计与使用可以有效抑制载流子的表面复合和防止探测器结构的老化，减缓器件由于长期置于空气中被氧化而失效。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：基于MSM结构的高紫外可见光抑制比紫外探测器即日盲紫外探测器，探测元件由上至下包括由氧化铝101和铝102制造的多周期滤波结构105(或称滤波层)，紫外吸收体106、叉指电极层107、衬底层108；多周期滤波结构顶部，底部均为电解质隔离层104；
由金属薄膜201和电介质薄膜202交替的多周期滤波结构生长在探测器的电介质隔离层104上。
多周期滤波结构尤其是交替生长氧化铝101和铝102。
电解质隔离层104上沉积的滤波结构的铝厚度为12-18nm，氧化铝厚度为30-60nm；周期数在1-10之间；滤波结构金属厚度、电介质厚度分别为15nm、40nm。
探测器叉指电极厚度为10nm，叉指间距为1.5μm，电极叉指宽度为1.5μm；多周期滤波结构顶部为氧化铝电解质钝化层或二氧化硅，氧化铝钝化层或二氧化硅钝化层的厚度为20nm，氧化铝隔离层厚度为40nm。
所述探测器器件结构包括桥墩、桥臂和探测元件，探测元件包括紫外吸收体、叉指电极、隔离层和钝化层。
所述紫外吸收体厚度为80-200nm厚，尤其是100nm厚，紫外吸收体材料为氧化镓、金刚石、ZnMgO或AlGaN等材料，
所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征是，步骤如下：先在石英、蓝宝石或柔性透明衬底上沉积一层金属，用于半导体平面工艺制作叉指电极；在此基础上生长紫外光薄膜吸收层；然后在吸收层前部沉积一层电介质绝缘层隔离紫外吸收体与滤波结构；最后在隔离层上制作多层薄膜滤波结构；衬底以透明介质为好，无其他特别要求，硅片或高纯氧化铝甚至玻璃等均可。
(1)先使用磁控溅射技术或MOCVD，在衬底上生长8-15nm厚的金属(金)层；
(2)基于半导体平面工艺技术，光刻技术刻蚀制作叉指电极，电极宽度1.5μm，叉指间距1.5μm；
(3)在电极层上以磁控溅射技术或MOCVD，生长100nm厚的紫外吸收体薄膜层；
(4)利用磁控溅射或MOCVD，交替生长15nm铝和40nm氧化铝薄膜层，组成滤波结构
(5)最后使用磁控溅射方法或MOCVD，在上述结构外侧生长一层20nm厚的氧化铝作钝化层，保护其中的金属电极、滤波结构不被氧化失效。
隔离层材料为氧化铝，厚度40nm；滤波结构的最外层——电介质氧化铝层，同时作为钝化保护层，厚度为20nm，用来保护滤波结构不被氧化；叉指电极材料为金，厚度为10nm，叉指间距1.5μm，叉指宽度1.5μm。
本发明探测器结构的探测机理是：光波先入射到滤波结构中，通过滤波结构的滤波作用，反射或吸收掉紫外波段之外的其他光波，剩余符合波矢匹配条件的紫外光进入探测器中，被紫外吸收体吸收，利用光生伏特效应，在紫外吸收体中激发出光生载流子，激发的电子和空穴极大地增加了紫外吸收体的电导率，在适当电压的作用下，光生电流比没有光照时大很多，输出与紫外光信号强度相关的电流信号。据此，探测器对入射光产生响应，实现对透射紫外光的探测。
本发明探测器结构的滤波机理是：首先考虑不同材料组成的多层膜结构，当光进入该结构时，会在每个界面产生反射和透射，如附图1所示。
每一个介质层中，光的传输特性可用一个2×2的矩阵公式来表示：
我们可以把每一层介质看作是一层光学腔，Fm和Bm分别代表第m层中前向波与后向波的振幅。
为第m-1层光学腔附加的相位厚度。nm-1为第m-1层材料的折射率，dm-1为第m-1层材料的光学厚度。光学腔效应可用传输矩阵P来表示，而界面处的反射效应可用反射矩阵R来表示，则上述公式可表示为：
假如用nM和nD分别表示周期结构中金属层和介电层的折射率，用dM和dD分别表示金属层和介电层的厚度，在结构参数设计时，应满足以下Bragg条件：
nMdM+nDdD＝lλ0/2
这里l为整数，λ0为光子禁带的中心波长。设计时λ0可取某可见光波长，如600nm。通过dM和dD的优化使得250nm波长处于禁带边缘，并同时具有较高抑制比。
在本发明中，我们使用了多层这样的结构用于滤波，每一层结构的滤波效果相互增强，就可以有效地提高特定波段光波的透射，抑制其他波长的光，达到提高探测器抑制比的效果。
本发明是一种高抑制比的日盲紫外探测器及其制备方法。探测器结构采用背电极MSM结构，金属叉指电极制备在紫外吸收体与衬底之间，光信号从器件正面经过滤波结构射入紫外吸收体中，以避免叉指电极的阻挡，有效提高吸收效率。本发明基于材料生长和半导体平面工艺，可实现日盲紫外波段的高效探测，同时对可见光、红外波段具有高抑制作用。
有益效果：本发明通过在探测器前端设计制造出滤波结构，可有效提高探测器抑制比。同时，将叉指电极制作于探测器背面(即位于紫外吸收体与衬底之间)，可以有效避免金属电极对紫外光的遮挡与吸收损耗，使入射光信号不受阻挡地直接进入紫外吸收体中，从而提高吸收率和响应度。仅滤波结构就可以使探测器的抑制比达到105以上，结合紫外吸收体本身在紫外和可见部分吸收系数的差别，并通过对生长工艺的控制，可进一步提高探测器的紫外-可见光抑制比，以达到空间目标跟踪和紫外通信的实际应用需求。紫外吸收体与滤波结构之间的隔离层，可以阻止光生载流子进入滤波结构的金属层中，提高载流子收集效率，同时减少噪声。钝化层的使用可以有效抑制载流子的表面复合和防止探测器结构的老化，减缓器件由于长期置于空气中被氧化而失效。相较于传统方法利用多层缓冲层结构提高探测器质量，本发明体积更小、效率更高、可以有效地集成和大规模生产。
(1)本发明的高抑制比紫外探测器，将紫外探测器技术与光学滤波技术相结合，能够有效提升探测器性能。
(2)本发明的探测器具有结构简单、功耗低、工艺简单、成本低等优势。相较于传统多层缓冲层结构的紫外吸收体，工艺要求低，制造工艺相对，易于制造，便于大规模集成和使用。
(3)本发明结合了光学滤波技术，高效的滤波结构可以大大提高探测器性能，同时由于制造简单，大大降低了制造成本。
(4)本发明滤波结构采用垂直结构，探测器采用背部MSM结构，对于光源偏振依赖度低。
(5)本发明的叉指电极制作于探测器背面，不会阻挡光源进入紫外吸收体中，可以提高光波的吸收率，增加响应。
(6)本发明使用隔离层隔离探测器结构和滤波结构的金属层，可以有效提高光生载流子的收集效率、提高探测器响应度、减少噪声。
(7)本发明使用钝化层保护探测器结构，可以有效避免探测器置于空气中氧化而失去效果。
(8)本发明运用滤波结构有效提高探测器抑制比，如图5所示，有滤波结构的探测器对紫外光源的吸收率虽稍有下降但抑制比得到了极大的提升，再结合探测器紫外吸收体本身具有的波长依赖的吸收系数，可以最终获得高抑制比的紫外光电探测器。
附图说明
图1为技术方案中滤波原理说明示意图,其中Fm和Bm分别代表第m层中前向波与后向波的振幅。
图2为本发明实施例的高抑制比紫外探测器的内部结构示意图，(a)电介质/金属结构，(b)多周期滤波结构(前后为钝化层和隔离层)，(c)高抑制比探测器整体结构
图3为本发明实施例的滤波结构侧视图，(a)多周期结构，(b)单周期金属/电介质结构。
图4为本发明实施例的探测器外部构架示意图，(a)俯视图，(b)侧视图。
图5为本发明实施例的紫外-可见光波段吸收率、抑制比图谱，(a)吸收率图谱，(b)抑制比图谱。其中包括1—6周期的结果和对照组结果。
图6为本发明实施例中有高抑制比探测器形成的紫外光谱探测系统示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本实施例为一种高抑制比紫外探测器，包括一个由氧化铝101和铝102制造的多周期滤波结构105(其顶部为氧化铝电解质钝化层，底部为氧化铝电解质隔离层104)、一个紫外吸收体106、一个叉指电极层107、一个衬底层108。由于滤波结构105通过特殊设计，只允许特定波长的紫外光窄带透射，故可以抑制其他光源进入探测器内。这样，当宽广谱光源照射探测器时，滤波结构先滤除绝大部分其他光波，只允许特定波段通过，使探测器产生响应，可以高效地提高探测波段和非探测波段的抑制比。
如图3所示，为本实施例的滤波结构示意图。在探测器的电介质隔离层104上，交替生长金属薄膜201和电介质薄膜202。其中，D1为金属厚度，D2为电介质厚度。优选地，我们采用的金属为铝、电介质为氧化铝，它们交替生长，形成光学腔结构，对特定波段的光波进行干涉加强，增强透射，而对其他波段实现阻隔作用。通过滤波结构对光波的选择，可以有效减少其他光波进入探测器内，减少对其他波段的错误响应，同样能够达到高抑制比的要求。相比于其他通过对材料生长方法的控制与改进，工艺更加简单、成本更加低廉，同时又能大大提高探测器的探测性能，有利于大规模集成和生产。
如图4所示，为本实施例的探测器外部构架示意图，其结构为微桥结构。图中，探测器的外部构架包括桥墩301、桥臂302、氧化铝钝化层303和紫外吸收体304。其中桥墩301用来外接读出电路和支撑探测器结构，桥臂301用来支撑紫外吸收体304并连接桥墩和探测器。图4(b)中，305为探测器上的滤波结构(包括隔离层104)，黑色部分为叉指电极层，叉指电极层上方依次是紫外吸收体层、电介质隔离层、滤波结构。
本实施例提供了一种工作波长为250nm的高抑制比MSM紫外光电探测器。本实施例的滤波结构由铝和氧化铝交替生长制造，在制造中优选的，电解质隔离层104上沉积的滤波结构铝厚度为15nm，氧化铝厚度为40nm。
本发明制备上述基于MSM结构的高抑制比紫外探测器的方法，具体步骤如下：
(1)先使用磁控溅射技术，在衬底上生长10nm厚的金属(金)层；
(2)基于半导体平面工艺技术，在金属层上涂抹固定厚度光刻胶，光刻胶上方覆盖能保护支撑臂、桥墩的掩模版，进行曝光和显影步骤；
(3)用EUV光刻技术，刻蚀未被保护的区域，制作叉指电极，电极宽度1.5μm，叉指间距1.5μm。
(4)在电极层上同样以磁控溅射技术，生长100nm厚的紫外吸收体薄膜层；
(5)之后利用磁控溅射设备，交替生长15nm铝和40nm氧化铝薄膜层，组成滤波结构
(6)最后使用磁控溅射方法，在上述结构外侧生长一层20nm厚的氧化铝作钝化层，保护其中的金属电极、滤波结构不被氧化失效。
(7)本发明中提及的紫外吸收体材料不仅限于氧化镓材料，同样也包括、金刚石、ZnMgO或AlGaN等材料，相应的制备方法也不仅限于磁控溅射。
其中，基于半导体平面工艺制作的叉指电极先制作于衬底上，在电极上制备的紫外吸收体结构直接使用磁控溅射技术。制备滤波结构的工艺，我们使用磁控溅射技术交替生长铝和氧化铝薄膜层，从而制造出相应的滤波结构。
当入射光波进入探测器时，会先被滤波结构选择，不符合波矢匹配条件的光波被滤除不能透射，符合波矢匹配条件的光波才能产生增强效果，透射过去进入探测器内，这部分光波被紫外吸收体106吸收，光能转化为载流子的能量产生大量自由载流子，使得紫外吸收体106的电导率大大增加，在外加电源的作用下，输出与透射紫外光光强相关的电流信号。滤波结构可以大大减少其他非探测波段光波进入探测器内产生错误响应，因此，利用滤波结构可以极大的增强探测器的探测波段与非探测波段的抑制比，有效提高探测器性能。在本实施例中，探测器叉指电极厚度为10nm，紫外吸收体厚度为100nm，滤波结构金属厚度、电介质厚度分别为15nm、40nm，氧化铝钝化层的厚度为20nm，氧化铝隔离层厚度为40nm。
利用时域有限差分方法，仿真探测器的光学模型。根据上面所设计的探测器及滤波结构参数，建立了对应的探测器模型，进行了相应的求解计算。如图5(a)所示，为滤波结构不同周期数和无滤波结构(T＝0)的吸收率对比图；如图5(b)所示，为滤波结构不同周期数和无滤波结构(T＝0)的抑制比示意图，此处抑制比的计算我们使用的是探测器对其他波长的吸收率与对中心波长250nm光波吸收率的比值。抑制比的表达式为R＝ABλ/AB250nm，其中R表示抑制比大小，ABλ为探测器对波长为λ的光波的吸收率。从图中可以看出，虽然在滤波结构的影响下，探测器对光波的吸收率有所减小；但相比之下，有了滤波结构的探测器抑制比随着周期数的增加大大增强，在三周期(T＝3)滤波结构时，该探测器各波段抑制比均可以达到10的5次方的量级，进一步提高周期数可进一步提高抑制比。在此处，我们讨论的抑制比均为光学滤波结构为探测器可提供的抑制比大小，搭配探测器结构本身紫外吸收体的抑制比，本发明的探测器抑制比可以达到更高的数值。
如图6所示，为利用上述高抑制比探测器形成的紫外光谱探测系统，该系统包括：紫外光源501、聚焦透镜502、高抑制比紫外探测器503、数据处理系统504、显示器505。紫外光源501发出一束发散的紫外光，经过聚焦透镜502聚焦到探测器503上，滤波结构105可以首先对光波进行选择，带探测的光波会进入探测器，工作时在探测器紫外吸收体107两端施加一定的恒流源，当紫外光照射探测器时，光子被紫外吸收体107吸收产生光生载流子，大大提高紫外吸收体107的电导率，输出与投射紫外光强成正比的电流信号，同时由于滤波结构滤除了其他波段的光波，可以大大提高抑制比，降低错误响应的概率；把一组电流信号传输到数据处理系统504，处理后的紫外光信号输入值显示器507，即可获得相应的紫外光探测相应谱。
Claims (7)
1.一种日盲紫外探测器，其特征是，探测元件由上至下包括由金属氧化物和金属制造的多周期滤波结构，紫外吸收体、叉指电极层、衬底层；多周期滤波结构顶部，底部均为电解质隔离层；由金属薄膜和电介质薄膜交替的多周期滤波结构生长在探测器的电介质隔离层上。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征是，多周期滤波结构是交替生长氧化铝和铝。
3.根据权利要求2所述的日盲紫外探测器，其特征是，电解质隔离层上沉积的滤波结构的铝厚度为12-18nm，氧化铝厚度为30-60nm；周期数在1-10之间；滤波结构金属厚度、电介质厚度分别为15nm、40nm。
4.根据权利要求1-3之一所述的日盲紫外探测器，其特征是，探测器叉指电极厚度为10nm，叉指间距为1.5μm，电极叉指宽度为1.5μm；多周期滤波结构顶部为氧化铝电解质钝化层或二氧化硅，氧化铝钝化层或二氧化硅钝化层的厚度为20nm，氧化铝隔离层厚度为40nm。
5.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征是，所述探测器器件结构包括桥墩、桥臂和探测元件，探测元件包括紫外吸收体、叉指电极、隔离层和钝化层。
6.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征是，所述紫外吸收体厚度为80-200nm厚，尤其是100nm厚，紫外吸收体材料为氧化镓、金刚石、ZnMgO或AlGaN材料。
7.根据权利要求1-6之一所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征是，步骤如下：先在石英、蓝宝石或柔性透明衬底上沉积一层金属，用于半导体平面工艺制作叉指电极；在此基础上生长紫外光薄膜吸收层；然后在吸收层前部沉积一层电介质绝缘层隔离紫外吸收体与滤波结构；最后在隔离层上制作多层薄膜滤波结构；
(1)先使用磁控溅射技术或MOCVD，在衬底上生长8-15nm厚的金属层；
(2)基于半导体平面工艺技术，光刻技术刻蚀制作叉指电极，电极宽度1.5μm，叉指间距1.5μm；
(3)在电极层上以磁控溅射技术或MOCVD，生长100nm厚的紫外吸收体薄膜层；
(4)利用磁控溅射或MOCVD，交替生长15nm铝和40nm氧化铝薄膜层，组成滤波结构
(5)最后使用磁控溅射方法或MOCVD，在上述结构外侧生长一层20nm厚的氧化铝作钝化层，保护其中的金属电极、滤波结构不被氧化失效。
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