CN112945377A - 一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 - Google Patents
一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112945377A CN112945377A CN202110141110.XA CN202110141110A CN112945377A CN 112945377 A CN112945377 A CN 112945377A CN 202110141110 A CN202110141110 A CN 202110141110A CN 112945377 A CN112945377 A CN 112945377A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- absorption layer
- nano
- deep ultraviolet
- metal
- plasmon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 88
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 76
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 76
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 12
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 8
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 26
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 15
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 11
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 8
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 8
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 5
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 4
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 4
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 2
- 238000001883 metal evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000005329 nanolithography Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002107 nanodisc Substances 0.000 description 1
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
- G01J2001/4233—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation with selection of detector
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明为一种基于等离子激元的深紫外光电探测器。该探测器的结构自下至上包括：衬底、缓冲层、吸收层和叉指电极；其中，在叉指电极部分之外的吸收层上，嵌有金属纳米柱；所述的金属纳米柱的材料为Al。本发明易于在深紫外波段发生等离子激元共振，同时增加了金属与有源区材料的接触面积，增加了热载流子通过热发射进入有源区的面积，从而可以充分利用等离子激元的作用增加深紫外探测器的响应度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构和制备方法。
背景技术
紫外光是电磁波谱的波长在0.1～0.4μm区域的光。而对于太阳发射出的波长小于0.28μm的紫外光，一般会被地球的大气层所吸收，因此，0.2～0.28μm的波段范围被称为“日盲”区域，即深紫外区域。而在军事应用和人们的日常生活中，专门针对深紫外的光进行探测的深紫外探测器有着非常重要的作用。目前，深紫外探测器可广泛用于紫外线天文学、臭氧检测、火灾报警等领域。但由于深紫外信号的强度一般都比较弱，所以对深紫外的光电探测器响应度提出了非常高的要求。当前MSM型探测器、PIN型探测器、肖特基势垒型探测器等多种结构类型的探测器被研发出来，以提高探测器的性能。其中，MSM型深紫外探测器因为具有响应速度快、暗电流低等优点，而被越来越多的人关注。虽然MSM型深紫外探测器有很大的应用潜力，但其有源区的材料对光的吸收不够高，表面较强的菲涅尔反射以及其他各种载流子复合都限制了MSM型深紫外探测器的性能。利用一些纳米结构去提高其性能是非常有效的手段，比如表面纳米图形结构、纳米颗粒结构以及等离子激元效应等。其中，最近兴起的等离子激元在MSM型探测器上有着较多的应用，且表现出了良好的性能。在发生等离子激元共振时，其金属纳米结构可以增加对入射光的散射，从而增加吸收区对光的吸收；同时，由于金属结构对入射光的耦合，其光场会被增强，所以会有利于器件对光的吸收；另外，金属纳米结构附近的局域电场也会增强，从而加速光生载流子的分离和输运；由金属吸收和等离子激元共振所产生的热载流子，在具有足够能量的情况下，可以越过金属纳米结构与吸收层之间的肖特基势垒，从而对光电流有所贡献。因此，通过利用光与金属纳米阵列发生等离子激元共振的效果，可以从多方面有效提高探测的响应度。
目前在基于等离子激元共振的光电探测器中，其结构是在传统的MSM紫外探测器的叉指电极之间制备金属纳米粒子，但由于纳米颗粒的形状和尺寸无法进行精确有效的控制，因此其应用受到了一定程度的阻碍。此外，对于深紫外的探测器，通常用到的是AlGaN和碳化硅等具有高折射率的材料，这也严重限制了常规经常被报告的纳米盘和纳米半球结构在深紫外波段发生强的等离子激元共振。而对于纳米球结构，其制备困难，且其与有源区材料接触面积小，非常不利于热载流子的热发射过程。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的成本昂贵，或制备过程复杂，不利于大规模生产等不足，提供一种基于等离子激元的深紫外光电探测器的结构和制备方法。该结构通过在吸收层表面、叉指电极之间的区域制备规则形状的部分嵌入式的纳米柱阵列结构，使其易于在深紫外波段发生等离子激元共振现象，同时增加了金属与有源区材料的接触面积，增加了热载流子发射的进入有源区的面积，从而可以充分利用等离子激元作用增加深紫外探测器的响应度。除此之外，由于纳米柱部分嵌入到吸收层的内部，其表面纳米结构与吸收层之间的粘附性会大大增强，能有效地防止表面纳米结构的脱落，因此大大的增加了表面纳米结构的稳定性。
本发明的技术方案为：
一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，该探测器的结构自下至上包括：衬底、缓冲层、吸收层和叉指电极；其中，间隔分布的叉指对电极之间的间隙部分的吸收层上，嵌有金属纳米柱；金属纳米柱以阵列形式分布或随机排列。
所述的金属纳米柱的材料为Al，高度为0.02μm～1μm，直径为0.005μm～0.5μm，在吸收层内部分的深度为0.01μm～1μm，分布周期0.02μm～5μm；
所述的衬底的材质为sapphire、Si、SiC、GaN或AlN；
所述的缓冲层的材质为GaN或AlN，厚度为0.01μm～3μm；
所述的吸收层的材质为Ga2O3、AlGaN或SiC，厚度为0.01μm～5μm；
所述的叉指电极的材料为Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，长度为0.1μm～1000μm，宽度为0.1μm～100μm，间距为0.1μm～1000μm，厚度为0.01μm～1μm；
所述金属纳米柱阵列结构的排列方式为方形、三角形排列；
所述的基于等离子激元的深紫外光电探测器的制备方法，该方法包括如下步骤：
第一步，在超声中依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对衬底进行清洗处理；
第二步，在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)或者MBE(分子束外延)反应炉中，对衬底进行900℃～1400℃热处理，去除附着在衬底表面的杂质；
第三步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第二步处理后的衬底表面上外延生长厚度为0.01μm～3μm的缓冲层；
第四步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第三步得到的缓冲层上外延生长厚度为0.01μm～5μm的吸收层；
第五步，通过纳米光刻技术，先预留出叉指电极的位置，然后在预留的叉指电极位置之外的区域制备直径为0.005μm～0.5μm纳米圆孔掩膜结构；
第六步，通过干法刻蚀技术，以纳米圆孔掩膜为模板，刻蚀吸收层，其刻蚀深度为0.01μm～1μm；
第七步，蒸镀厚度为0.02μm～1μm金属Al，并剥离，在预留的叉指电极位置之外的区域得到部分嵌入吸收层的金属纳米柱结构；
第八步，通过常规光刻技术制备金属叉指电极。
由此得到所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著进步：
(1)本发明的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，可以实现等离子激元共振，通过对纳米柱尺寸的控制可以实现在深紫外波段的等离子激元共振，从而将共振波长调节至深紫外波段，能够对深紫外波段的光进行探测。由于纳米结构的等离子激元效应，金属纳米柱会增加在共振波长附近光的散射和吸收，从而有利于光的入射；在发生等离子激元共振时，入射光与纳米结构之间的耦合作用，会增强光场，增加光的吸收；金属纳米结构附近的局域电场会增强，这会加速光生电子空穴对的分离和输运，此外，由金属纳米结构的吸收和等离子激元共振耗散所产生的热载流子，在具有足够能量的情况下，可以越过金属纳米结构与吸收层之间的肖特基势垒，从而对光电流有所贡献。因此应用等离子激元效应，可以从多方面对探测器的性能进行提升。
(2)本发明的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，由于纳米结构部分嵌入到吸收层内部，纳米结构与吸收层的接触面积会大大增加。因此相较于其他制备在吸收层表面的纳米结构，本发明的纳米结构与吸收层之间的粘附性和稳定性会大大增强，能有效地防止表面纳米结构的脱落。另外由于纳米结构部分嵌入到吸收层内部，因此在吸收层内部也会有电场的存在，进一步有利于光生载流子的分离和输运。同时，这种增大的接触面积和向吸收层内部延伸的电场，会有利于金属中的热电子向吸收层的传输，最终提高探测器的响应度性能。
(3)本发明的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，由于采用工业上比较成熟的纳米光刻技术来制备，相对于纳米球刻蚀技术和电子束光刻技术，本发明的制作工艺简单，成本低廉，适于工业上的推广使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中的标准MSM光电探测器结构的A-A断面图。
图2是现有技术中的标准MSM光电探测器结构的俯视图。
图3是实施例1中，本发明的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器结构的A-A断面图。
图4是实施例1中，本发明的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器结构的俯视图。
图5是实施例1中，本发明的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器结构消光谱图及纳米半球阵列和纳米盘阵列的消光谱图。
图6是一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器结构(纳米柱未嵌入吸收层)的在深紫外区共振峰的共振波长时的电场截面图。
图7是实施例1中，本发明的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器结构(纳米柱嵌入吸收层)的在深紫外区共振峰的共振波长时的电场截面图。
其中,101-衬底；102-缓冲层；103-吸收层；104-金属纳米柱；105-叉指电极。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
现有技术中的标准MSM光电探测器器件结构如图1所示，该器件结构沿外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、吸收层103、叉指电极105；其中，如图2所示，一对叉指电极105(N电极和P电极交替分布)分布在吸收层103的表面的；该结构的响应速度快，暗电流低，有较大的应用潜力，但由于表面较强的菲涅尔反射的原因，其有源区的材料对光的吸收不够高，以及材料内部载流子输运过程中存在各种载流子复合，这些因素共同限制了这种深紫外探测器的性能。
本发明中的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构如图3所示，自下至上包括衬底101、缓冲层102、吸收层103和叉指电极105；其中，如图4所示，间隔分布的叉指电极之间的间隙部分的吸收层103上，嵌有金属纳米柱104；金属纳米柱104以阵列形式分布。
所述的金属纳米柱104、叉指电极105与吸收层103均为肖特基接触；
所述的衬底101的材质可以为sapphire、Si、SiC、GaN或AlN；
所述的缓冲层102的材质可以为GaN或AlN，厚度为0.01μm～3μm；
所述的吸收层103的材质可以为Ga2O3、AlGaN或SiC，厚度为0.01μm～5μm；
所述的金属纳米柱的材料为Al，高度为0.02μm～1μm，直径为0.005μm～0.5μm，在吸收层内部分的深度为0.01μm～1μm(深度为嵌入到吸收层内部的纳米柱的长度范围；高度是纳米柱上表面与吸收层表面的高度差)，分布周期0.02μm～5μm(分布周期即相邻纳米柱中心之间的距离)；
所述的叉指电极的材料为Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au，长度为0.1μm～1000μm，宽度为0.1μm～100μm，间距为0.1μm～1000μm，厚度为0.01μm～1μm。
实施例1
本实施例具有一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构，该器件结构沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、吸收层103，金属纳米柱104和叉指电极105。其中金属纳米柱104在吸收层103上方、在叉指电极105的中间区域，金属纳米柱104、叉指电极105与吸收层103均为肖特基接触。
上述中，衬底101的材质为sapphire；缓冲层102的材质为AlN，厚度为2μm；吸收层103的材质为AlGaN，Al组分为0.45，厚度为4μm；在AlGaN吸收层103上方的金属纳米柱104的材质为Al，高度为0.08μm，深度为0.02μm，直径为0.08μm；在AlGaN吸收层103上方的叉指电极105的材质为Ni/Au，其中长度为80μm，宽度为20μm，间距为20μm，厚度为0.2μm；金属纳米柱104在AlGaN吸收层103上方、叉指电极105的中间区域。
上述具有一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构，其具体制备方法如下：
第一步，在超声中依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水对衬底进行清洗，生长面朝上，每次超声清洗3分钟，以除掉附着在衬底101表面的异物；
第二步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)反应炉中，对衬底101进行高温900℃～1400℃热处理，以去除附着在衬底101表面的杂质；
第三步，在MOCVD反应炉中，先降低温度到550℃，在第一步处理后的衬底101表面上外延生长2μm的AlN缓冲层102，气压为90mbar，然后在H2和NH3气氛中升温到970℃，对AlN缓冲层102进行退火处理，退火时间为1min；
第四步，在MOCVD反应炉中，以H2作为载气，在第三步得到的AlN缓冲层102上外延生长厚度为4μm的AlGaN吸收层103，三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别为Ga源和N源，生长温度为1050℃；
第五步，进行纳米光刻工艺，首先在AlGaN吸收层103表面旋涂纳米压印光刻胶，用纳米压印模板进行纳米压印操作，其压印模板上有预留出叉指电极的位置，因此只在叉指电极位置之外的区域制备了纳米圆孔图形。之后进行紫外光源曝光，固化光刻胶图形，然后去除底胶，暴露出AlGaN吸收层103表面，得到阵列排布、直径为0.08μm的纳米圆孔掩膜结构；
第六步，对第五步的结构进行刻蚀，通过干法刻蚀技术，对第五步中暴露出来的AlGaN吸收层103表面进行刻蚀，刻蚀深度为0.02μm；
第七步，对第六步的结构进行蒸镀金属，通过电子束蒸发或热蒸发等方法，对第六步的圆孔结构上进行蒸镀金属Al，其厚度为0.08μm，最后进行剥离处理，制备如图3所示金属纳米柱104，金属纳米柱104在AlGaN吸收层103上方，其结构为金属纳米柱阵列结构，由直径0.08μm、周期0.5μm、高度0.08μm，深度0.02μm的金属纳米柱方形排列组成，金属纳米柱104与AlGaN吸收层103形成肖特基接触；
第八步，通过常规光刻技术制备叉指电极。首先在第七步的器件结构上涂覆紫外光刻胶(负胶)，然后进行紫外曝光处理和显影处理，之后进行蒸发(电子束蒸发或热蒸发)0.2μm的金属层，金属材质为Ni/Au。最后进行剥离处理，制备如图3所示叉指电极105，其中长度为80μm，宽度为20μm，间距为20μm，厚度为0.2μm。叉指电极105在AlGaN吸收层103上方，叉指电极105与AlGaN吸收层103形成肖特基接触。
所述实施例1中结构的消光谱的展示如图5所示，我们可以明显的看到在深紫外区域(波长小于282纳米的区域)存在一个较强的共振峰，这说明所述实施例1的结构可以成功的将共振波长调节至深紫外波段；另外，吸收层所用材料为铝镓氮、氧化镓等半导体材料，这些材料对光的吸收波段位于深紫外区。因此本发明可以体现出“深紫外”的性能，对深紫外波段的光进行探测。
图6和图7分别是纳米柱未嵌入和嵌入吸收层内部的结构，在共振波长处的电场分布纵截面图，其中颜色越明亮，则表示电场强度越强，否则反之。通过图6和图7的对比，我们可以清楚的看到，纳米柱未嵌入吸收层的结构，其与吸收层的接触面积较小，而分布于界面处的电场强度较低；而纳米柱嵌入到吸收层内部的结构，其与吸收层的接触面积较大，且电场强度较强，并且电场向内部有延伸。因此，纳米柱嵌入吸收层的结构会有利于来自金属内部的热电子的传输，并且粘附稳定性大大增强。
实施例2
本实施例具有一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构，该器件结构沿着外延生长方向依次包括：衬底101、缓冲层102、吸收层103，金属纳米柱104和叉指电极105。其中金属纳米柱104在吸收层103上方、在叉指电极105的中间区域，金属纳米柱104、叉指电极105与吸收层103均为肖特基接触。
上述中，衬底101的材质为SiC；缓冲层102的材质为AlN，厚度为3μm；吸收层103的材质为AlGaN，Al组分为0.45，厚度为5μm；在AlGaN吸收层103上方的金属纳米柱104的材质为Al，高度为0.08μm，深度为0.06μm，直径为0.08μm；在AlGaN吸收层103上方的叉指电极105的材质为Ti/Al/Ti/Au，长度为100μm，宽度为25μm，间距为25μm，厚度为0.3μm；金属纳米柱104在AlGaN吸收层103上方、叉指电极105的中间区域。
上述具有一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器的结构，其具体制备方法如下：
第一步，在超声中依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水对衬底进行清洗，生长面朝上，每次超声清洗3分钟，以除掉附着在衬底101表面的异物；
第二步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)反应炉中，对衬底101进行高温900℃～1400℃热处理，以去除附着在衬底101表面的杂质；
第三步，在MOCVD反应炉中，先降低温度到550℃，在第一步处理后的衬底101表面上外延生长3μm的AlN缓冲层102，气压为90mbar，然后在H2和NH3气氛中升温到970℃，对AlN缓冲层102进行退火处理，退火时间为1min；
第四步，在MOCVD反应炉中，以H2作为载气，在第三步得到的AlN缓冲层102上外延生长厚度为5μm的AlGaN吸收层103，三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别为Ga源和N源，生长温度为1050℃；
第五步，进行纳米光刻工艺，首先在AlGaN吸收层103表面旋涂纳米压印光刻胶，用纳米压印模板进行纳米压印操作，其压印模板上有预留出叉指电极的位置，因此只在叉指电极位置之外的区域制备了纳米圆孔图形。之后进行紫外光源曝光，固化光刻胶图形，然后去除底胶，暴露出AlGaN吸收层103表面，得到直径为0.08μm的纳米圆孔掩膜结构；
第六步，对第五步的结构进行刻蚀，通过干法刻蚀技术，对第五步中暴露出来的AlGaN吸收层103表面进行刻蚀，刻蚀深度为0.06μm；
第七步，对第六步的结构进行蒸镀金属，通过电子束蒸发或热蒸发等方法，对第六步的结构进行蒸镀金属Al，其厚度为0.08μm，最后进行剥离处理，制备如图3所示金属纳米柱104，金属纳米柱104在AlGaN吸收层103上方，其结构为金属纳米柱阵列结构，由直径0.08μm、周期0.5μm、高度0.08μm，深度0.06μm的金属纳米柱方形排列组成，金属纳米柱104与AlGaN吸收层103形成肖特基接触；
第八步，通过常规光刻技术制备叉指电极。首先在第七步的器件结构上涂覆紫外光刻胶(负胶)，然后进行紫外曝光处理和显影处理，之后进行蒸发(电子束蒸发或热蒸发)0.3μm的金属层，金属材质为Ti/Al/Ti/Au。最后进行剥离处理，制备如图3所示叉指电极105，其中长度为100μm，宽度为25μm，间距为25μm，厚度为0.3μm。叉指电极105在AlGaN吸收层103上方，叉指电极105与AlGaN吸收层103形成肖特基接触。
最终得到所述的一种基于等离子激元的MSM型深紫外光电探测器。
通过以上实施例，本发明在探测器的吸收层上方制备了部分嵌入到吸收层内部的金属纳米柱阵列结构。由于等离子激元的共振波长与其金属纳米结构的形状、尺寸、折射率环境等因素有关，其尺寸影响其激发共振的电场强度和电子数目，从而影响共振频率，即共振波长。因此通过对金属纳米结构尺寸的控制，可以对金属结构内部的激发共振的电场强度和电子数目进行调节，最终实现对其共振波长的调节。本发明中通过嵌入改变介质环境，通过高度、直径和深度改变尺寸，最终实现在深紫外波段发生共振。因此本发明的设计可以通过对纳米柱尺寸的控制可以实现对等离子激元共振波长的调节，从而能够对深紫外波段的光进行探测。
本发明不仅可以利用纳米结构的等离子激元效应来增强探测器的性能，也可以大大提高表面纳米结构的粘附性和稳定性，能有效地防止表面纳米结构的脱落，这种嵌入式结构也大大增加了金属纳米柱与吸收层接触面积，并使局域增强电场向吸收层内部延伸，这将有利于纳米柱中热载流子的传输。另外，纳米柱的高度在制备过程中便于控制，这将能精确调控等离子激元共振波长使其发生在深紫外波段。另外其制备采用纳米压印光刻的技术工艺，相较于其他纳米结构(如纳米球)制备过程更简单，成本也更低。在发生等离子激元共振时，其金属纳米柱结构可以增加对入射光的散射，从而增加吸收区对入射光的吸收。同时，金属纳米柱结构对光进行耦合作用，产生增强的光场会有利于光的吸收。另外，金属纳米结构附近的局域电场会增强，这会加速光生电子空穴对的分离和输运，对探测器的性能产生一定的增益(如图6、图7看出，耦合作用、光场增强)。因此，本发明从多方面提高了深紫外光电探测器的性能。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (6)
1.一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，其特征为该探测器的结构自下至上包括：衬底、缓冲层、吸收层和叉指电极；其中，间隔分布的叉指电极之间的间隙部分的吸收层上，嵌有金属纳米柱；
所述的金属纳米柱的材料为Al，高度为0.02μm～1μm，直径为0.005μm～0.5μm，在吸收层内部分的深度为0.01μm～1μm，分布周期0.02μm～5μm。
2.如权利要求1所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，其特征为金属纳米柱以阵列形式分布或随机排列。
3.如权利要求1所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，其特征为所述的衬底的材质为sapphire、Si、SiC、GaN或AlN；
所述的缓冲层的材质为GaN或AlN，厚度为0.01μm～3μm；
所述的吸收层的材质为Ga2O3、AlGaN或SiC，厚度为0.01μm～5μm；
所述的叉指电极的材料为Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au。
4.如权利要求1所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，其特征所述的叉指电极的长度为0.1μm～1000μm，宽度为0.1μm～100μm，间距为0.1μm～1000μm，厚度为0.01μm～1μm。
5.如权利要求2所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器，其特征为所述金属纳米柱阵列结构的排列方式为方形或三角形。
6.如权利要求1所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：
第一步，在超声中依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对衬底进行清洗处理；
第二步，在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)或者MBE(分子束外延)反应炉中，对衬底进行900℃～1400℃热处理，去除附着在衬底表面的杂质；
第三步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第二步处理后的衬底表面上外延生长厚度为0.01μm～3μm的缓冲层；
第四步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第三步得到的缓冲层上外延生长厚度为0.01μm～5μm的吸收层；
第五步，通过纳米光刻技术，先预留出叉指电极的位置，然后在预留的叉指电极位置之外的区域制备直径为0.005μm～0.5μm的纳米圆孔掩膜结构；
第六步，通过干法刻蚀技术，以纳米圆孔掩膜为模板，刻蚀吸收层，其刻蚀深度为0.01μm～1μm；
第七步，蒸镀厚度为0.02μm～1μm金属Al，并剥离，在预留的叉指电极位置之外的区域得到部分嵌入吸收层的金属纳米柱结构；
第八步，通过常规光刻技术制备金属叉指电极；
由此得到所述的一种基于等离子激元的深紫外光电探测器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110141110.XA CN112945377B (zh) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110141110.XA CN112945377B (zh) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112945377A true CN112945377A (zh) | 2021-06-11 |
| CN112945377B CN112945377B (zh) | 2022-08-30 |
Family
ID=76241343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110141110.XA Active CN112945377B (zh) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112945377B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113594390A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-02 | 京东方科技集团股份有限公司 | 显示面板及其制作方法、显示装置 |
| CN113921629A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-01-11 | 河北工业大学 | 一种基于等离子激元核壳结构的深紫外光电探测器 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104332513A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-02-04 | 中国石油大学(北京) | 一种NiO纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用 |
| CN104698041A (zh) * | 2013-12-06 | 2015-06-10 | 纳米新能源生命科技（唐山）有限责任公司 | 基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器及其制备方法 |
| CN105140331A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-09 | 宋金会 | 紫外探测器 |
| CN105552160A (zh) * | 2016-03-13 | 2016-05-04 | 浙江理工大学 | 基于金纳米粒子增强氧化镓薄膜的紫外探测器件及其制备方法 |
| CN106910751A (zh) * | 2017-03-07 | 2017-06-30 | 吉林大学 | 一种基于自耗尽效应的TiO2/NPB异质一维纳米棒阵列紫外探测器及其制备方法 |
| CN108878547A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-23 | 厦门大学 | 一种高外量子效率的深紫外msm光电探测器 |
| CN109540970A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-03-29 | 五邑大学 | 一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器以及制备方法 |
| CN110047968A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-23 | 中南大学 | 一种AlGaN基3D倒装焊MSM阵列紫外探测器的制备方法 |
| CN110364584A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-10-22 | 厦门大学 | 基于局域表面等离激元效应的深紫外msm探测器及制备方法 |
| CN110931576A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-03-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种日盲紫外探测器及其制备方法 |
| CN111312851A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-06-19 | 华南理工大学 | 一种AlN纳米线日盲区探测器的制备方法 |
| CN111584674A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 单片集成日盲紫外及近红外双色光电探测器及其制作方法 |
| CN112186052A (zh) * | 2020-10-12 | 2021-01-05 | 厦门大学 | 一种深紫外多波长msm窄带光电探测器及其制备方法 |
-
2021
- 2021-02-01 CN CN202110141110.XA patent/CN112945377B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104698041A (zh) * | 2013-12-06 | 2015-06-10 | 纳米新能源生命科技（唐山）有限责任公司 | 基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器及其制备方法 |
| CN104332513A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-02-04 | 中国石油大学(北京) | 一种NiO纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用 |
| CN105140331A (zh) * | 2015-08-03 | 2015-12-09 | 宋金会 | 紫外探测器 |
| CN105552160A (zh) * | 2016-03-13 | 2016-05-04 | 浙江理工大学 | 基于金纳米粒子增强氧化镓薄膜的紫外探测器件及其制备方法 |
| CN106910751A (zh) * | 2017-03-07 | 2017-06-30 | 吉林大学 | 一种基于自耗尽效应的TiO2/NPB异质一维纳米棒阵列紫外探测器及其制备方法 |
| CN108878547A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-23 | 厦门大学 | 一种高外量子效率的深紫外msm光电探测器 |
| CN109540970A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-03-29 | 五邑大学 | 一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器以及制备方法 |
| CN110047968A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-23 | 中南大学 | 一种AlGaN基3D倒装焊MSM阵列紫外探测器的制备方法 |
| CN110364584A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-10-22 | 厦门大学 | 基于局域表面等离激元效应的深紫外msm探测器及制备方法 |
| CN111312851A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-06-19 | 华南理工大学 | 一种AlN纳米线日盲区探测器的制备方法 |
| CN110931576A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-03-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种日盲紫外探测器及其制备方法 |
| CN111584674A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-08-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 单片集成日盲紫外及近红外双色光电探测器及其制作方法 |
| CN112186052A (zh) * | 2020-10-12 | 2021-01-05 | 厦门大学 | 一种深紫外多波长msm窄带光电探测器及其制备方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113594390A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-02 | 京东方科技集团股份有限公司 | 显示面板及其制作方法、显示装置 |
| CN113594390B (zh) * | 2021-07-30 | 2024-04-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 显示面板及其制作方法、显示装置 |
| CN113921629A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-01-11 | 河北工业大学 | 一种基于等离子激元核壳结构的深紫外光电探测器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112945377B (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112945377B (zh) | 一种基于等离子激元的深紫外光电探测器 | |
| Alsultany et al. | Effects of ZnO seed layer thickness on catalyst-free growth of ZnO nanostructures for enhanced UV photoresponse | |
| Saghaei et al. | Vapor treatment as a new method for photocurrent enhancement of UV photodetectors based on ZnO nanorods | |
| CN105590971B (zh) | AlGaN日盲紫外增强型雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| TWI705577B (zh) | 二維電子元件與相關製造方法 | |
| Shaikh et al. | Chemical synthesis of pinecone like ZnO films for UV photodetector applications | |
| CN101207163A (zh) | 铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器及其制备方法 | |
| Chen et al. | Photoelectrical and low-frequency noise characteristics of ZnO nanorod photodetectors prepared on flexible substrate | |
| Yang et al. | Noise properties of Ag nanoparticle-decorated ZnO nanorod UV photodetectors | |
| CN109873047A (zh) | 一种新型异质结光子型红外探测器及制备方法及应用 | |
| Bafghi et al. | Low power ZnO nanorod-based ultraviolet photodetector: effect of alcoholic growth precursor | |
| Wu et al. | Grating Perovskite Enhanced Polarization-Sensitive GaAs-Based Photodetector | |
| Yadav et al. | Development of visible-blind UV photodetector using solution processed Ag-ZnO nanostructures | |
| CN110364582A (zh) | 一种基于石墨烯模板上AlGaN纳米柱基MSM型紫外探测器及其制备方法 | |
| KR102425182B1 (ko) | Al 및 ZnO의 이종구조를 포함하는 광검출기용 기판, 및 이를 포함하는 UV 광검출기 | |
| CN211295123U (zh) | 一种基于核壳结构GaN-MoO3纳米柱的自供电紫外探测器 | |
| Agrawal et al. | Highly visible-blind ZnO photodetector by customizing nanostructures with controlled defects | |
| CN111834489B (zh) | 硅基深紫外雪崩光电二极管及其制备方法 | |
| CN110429156B (zh) | 一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法 | |
| Yakimov et al. | Ge/Si photodiodes with embedded arrays of Ge quantum dots forthe near infrared (1.3–1.5 µm) region | |
| Wang et al. | Fast response and broadband self-powered photodetectors based on CZTS/SiNW core-shell heterojunctions for health monitoring | |
| Chen et al. | Photoconductive gain of vertical ZnO nanorods on flexible polyimide substrate by low-temperature process | |
| CN113921629A (zh) | 一种基于等离子激元核壳结构的深紫外光电探测器 | |
| Fei et al. | Study on ultraviolet photodetector modified by Au nanoparticles on ZnO nanowires | |
| CN110690316B (zh) | 一种基于核壳结构GaN-MoO3纳米柱的自供电紫外探测器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |