CN113948595B - 一种宽带热电子光探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带热电子光探测器件及其制备方法，该光探测器件包括衬底，其特征在于：所述衬底表面依次设置有布拉格光栅、氮化钛薄膜层、金属氧化物层、透明电极和减反射层；其制备方法包括以上各层的制备步骤。本发明的宽带热电子光探测器件及其制备方法具有响应度高、入射光损耗低、工艺简单和普适性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及管探测器件技术领域，具体是指一种宽带热电子光探测器件。
背景技术
热电子光探测器件是一种利用内光电效应产生的热电子来实现亚禁带(尤其是近红外)响应的新型光探测技术，具有探测波长突破半导体禁带宽度限制、有效避免能量弛豫损耗、光电响应速度快、室温工作、光偏振态探测等诸多优点。制约热电子光探测器件大规模应用的主要因素是光电转换效率(响应度)低，这是目前迫切需要解决的问题。
通过采用表面等离激元、光栅等离激元、塔姆等离激元、超表面和微腔效应等光学结构增强金属薄膜的光吸收效率，进而提升器件的响应度是一种常用策略。常见的金属薄膜/布拉格光栅塔姆等离激元结构制备成本低廉、容易实现大规模生产，通过对布拉格光栅结构参数的调节，也可以实现高效的探测波长的调制。该结构提供了有效增强光吸收效率、提升器件响应度的实现途径，然而相应器件往往表现出窄带响应的特性。开发具有宽带响应特点的热电子光探测器件有利于拓宽其在光通信、光催化、太阳电池、光分解水等领域的应用就宽带热电子光探测器件而言，还存在着器件宽带光吸收效率不高、响应光谱范围窄、响应度低等亟待解决的难题。。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带热电子光探测器件及其制备方法，具有近红外宽带高光响应度的特点，采用宽带高反射率的布拉格光栅，提高氮化钛薄膜层的宽带光吸收率，引入减反射层降低入射光损耗，结构简易，易于制备，具有较好的推广应用前景。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种宽带热电子光探测器件，包括衬底，衬底表面依次设置有布拉格光栅、氮化钛薄膜层、金属氧化物层、透明电极和减反射层。
在本发明的宽带热电子光探测器件中，衬底用于支撑热电子光探测器件，布拉格光栅和氮化钛薄膜层用以形成塔姆等离激元增强氮化钛薄膜层光吸收率，氮化钛薄膜层和金属氧化物层形成肖特基势垒，透明电极用于收集热电子，减反射层用以减少入射光损耗。该结构的特点为氮化钛薄膜层在近红外波段具有较高的介电常数，布拉格光栅的宽带高反射率能够增强氮化钛薄膜层的宽带光吸收率并拓宽器件吸收光谱和响应光谱。
进一步地，金属氧化物层为二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为5-50 nm。以上金属氧化物薄膜与氮化钛形成的肖特基势垒低，有利于热电子从氮化钛薄膜层注入到金属氧化物层，提升响应度。金属氧化物层起着输运热电子的作用，而其载流子迁移率低，厚度不宜超过热电子的平均自有程，以免影响输运效率。
进一步地，透明电极为铟锡氧化物、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡；透明电极厚度为20-100 nm。透明电极要求在近红外波段透射率高，导电性能好，这几类材料符合要求。其厚度设置，既保证透明电极能收集热电子又不对入射光产生太大影响。。
进一步地，减反射层为氟化镁、氟化锂或氮化硅；减反射层厚度为50-300 nm。减反射层要求具有比较低的折射率，这几种材料符合要求，减反射层起到光学干涉的作用，其厚度过高或过低均会对于光线透过效果产生影响，如其厚度过高会造成光线透过率过低，若其厚度过低会无法具有减反射的效果。据此，需要控制在50-300nm的合理范围为宜。
进一步地，布拉格光栅周期为3-8；布拉格光栅中心波长为900-1500 nm。光栅周期太小，氮化钛光吸收率不高，而光栅周期太大，增加器件制备复杂程度，并且对氮化钛光吸收率无提升作用。中心波长为900-1500 nm，以覆盖800-2000 nm的响应光谱范围，满足高响应度要求。
进一步地，氮化钛薄膜层厚度为5-30 nm。氮化钛薄膜层厚度过薄，其光吸收率偏低，不利于响应度的提升；而氮化钛薄膜层厚度过厚，热电子散射作用加强，器件内量子效率下降，器件的响应度也会下降。
进一步地，衬底为玻璃、塑料、陶瓷或硅片，以适应不同场景应用需求
本发明的另外一个方面，在于保护上述宽带热电子光探测器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质；
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅；
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层；
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层；
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极；
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。
本发明一种宽带热电子光探测器件，具有如下的有益效果：
第一、响应度高，通过本发明的器件结构设计，本发明的宽带热电子光探测器件具有近红外宽带高响应度的特征，一般情况下高于同类产品2-3倍；
第二、入射光损耗低，本发明的宽带热电子光探测器件引入减反射层，有效减少了射光损耗；
第三、制备简单，本发明的宽带热电子光探测器件设计新颖、结构简易，可有效简化工艺制备步骤；
第四、普适性强，本发明的宽带热电子光探测器件可以通过条件结构的几何参数（如布拉格光栅中心波长，布拉格电介质材料）调控响应波长范围，具有良好的普适性。
附图说明
附图1为本发明一种宽带热电子光探测器件的结构示意图；
附图2为本发明一种宽带热电子光探测器件响应光谱；
图3为采用不同氮化钛薄膜厚度的响应光谱；
附图中的标记包括：100、减反射层；200、透明电极；300、金属氧化物层； 400、氮化钛薄膜层；501、低折射率电介质层；502、高折射率电介质层；500、布拉格光栅；600、衬底。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开了一种宽带热电子光探测器件，包括衬底600，衬底600表面依次设置有布拉格光栅500、氮化钛薄膜层400、金属氧化物层300、透明电极200和减反射层100。
进一步地，金属氧化物层为二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为5-50 nm。
进一步地，透明电极为铟锡氧化物、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡；透明电极厚度为20-100 nm。
进一步地，减反射层为氟化镁、氟化锂或氮化硅；减反射层厚度为50-300 nm。
进一步地，布拉格光栅周期为3-8；布拉格光栅中心波长为900-1500 nm。
进一步地，氮化钛薄膜层厚度为5-30 nm。
进一步地，衬底为玻璃、塑料、陶瓷或硅片。
本发明的另外一个方面，在于保护上述宽带热电子光探测器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质；
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅；
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层；
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层；
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极；
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。
实施例1
本发明的宽带热电子光探测器件，主要是通过以下步骤制备的：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。在该步骤中，衬底为玻璃。
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅，在该步骤中，布拉格光栅周期为8；布拉格光栅中心波长为1200 nm。
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层，在该步骤中，氮化钛薄膜层厚度为5 nm。
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层。在该步骤中，金属氧化物层为氧化锌薄膜；金属氧化物层厚度为50 nm。
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极。在该步骤中，透明电极为掺氟氧化锡；透明电极厚度为60 nm。
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。在该步骤中，减反射层为氟化镁；减反射层厚度为50 nm。
实施例2
本发明的宽带热电子光探测器件，主要是通过以下步骤制备的：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。在该步骤中，衬底为塑料。
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅，在该步骤中，布拉格光栅周期为6；布拉格光栅中心波长为900 nm。
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层，在该步骤中，氮化钛薄膜层厚度为30 nm。
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层。在该步骤中，金属氧化物层为氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为30 nm。
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极。在该步骤中，透明电极为铟锡氧化物；透明电极厚度为20 nm。
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。在该步骤中，减反射层为氟化锂；减反射层厚度为300 nm。
实施例3
本发明的宽带热电子光探测器件，主要是通过以下步骤制备的：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。在该步骤中，衬底为陶瓷。
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅，在该步骤中，布拉格光栅周期为3；布拉格光栅中心波长为1500 nm。
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层，在该步骤中，氮化钛薄膜层厚度为30 nm。
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层。在该步骤中，金属氧化物层为二氧化钛薄膜；金属氧化物层厚度为5 nm。
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极。在该步骤中，透明电极为掺铝氧化锌；透明电极厚度为100 nm。
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。在该步骤中，减反射层为氮化硅；减反射层厚度为200 nm。
实施例4
本发明的宽带热电子光探测器件，主要是通过以下步骤制备的：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。在该步骤中，衬底为硅片。
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅，在该步骤中，布拉格光栅周期为5；布拉格光栅中心波长为1000 nm。
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层，在该步骤中，氮化钛薄膜层厚度为10 nm。
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层。在该步骤中，金属氧化物层为氧化锌薄膜或氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为40 nm。
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极。在该步骤中，透明电极为铟锡氧化物或掺氟氧化锡；透明电极厚度为80 nm。
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。在该步骤中，减反射层为氟化镁或氟化锂；减反射层厚度为200 nm。
实施例5
本发明的宽带热电子光探测器件，主要是通过以下步骤制备的：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。在该步骤中，衬底为陶瓷或硅片。
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅，在该步骤中，布拉格光栅周期为6；布拉格光栅中心波长为1400 nm。
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层，在该步骤中，氮化钛薄膜层厚度为15 nm。
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层。在该步骤中，金属氧化物层为二氧化钛薄膜或氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为20 nm。
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极。在该步骤中，透明电极为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡；透明电极厚度为80 nm。
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。在该步骤中，减反射层为氟化锂或氮化硅；减反射层厚度为120 nm。
实施例6
以硅片为衬底，以二氧化钛薄膜为金属氧化物层，以氟化镁为减反射层，按如下步骤制备宽带热电子光探测器件：
S1、衬底表面处：对硅片表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质。
S2、布拉格光栅制备：用磁控溅射法交替沉积五组225 nm厚的二氧化硅和75 nm厚的锗以形成布拉格光栅。
S3、氮化钛薄膜层制备：在布拉格光栅上用磁控溅射法沉积10 nm厚的氮化硅薄膜。
S4、金属氧化物层制备：在氮化硅薄膜上面用磁控溅射法沉积10 nm厚的二氧化钛薄膜作为金属氧化物层。
S5、透明电极制备：在二氧化钛薄膜上面沉积30 nm厚的铟锡氧化物薄膜作为透明电极。
S6、减反射层制备：在铟锡氧化物薄膜上面沉积100 nm厚的氟化镁作为减反射层。
该应用实施例的相应光谱如图2所示。在该实施例中，氮化钛和二氧化钛形成的肖特基势垒为0.37 eV,有利于热电子从氮化钛注入到二氧化钛。使用100 nm厚的氟化镁减少了入射光损耗。从图2可以看出，该热电子光探测器件在1000-1800 nm波段范围具有较高的响应度。图3对比了该实例采用不同氮化钛薄膜厚度的响应光谱。由此可见，氮化钛薄膜厚度太薄或者太厚都不利于实现宽光谱高响应度。
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种宽带热电子光探测器件，包括衬底，其特征在于：所述衬底表面依次设置有布拉格光栅、氮化钛薄膜层、金属氧化物层、透明电极和减反射层；布拉格光栅和氮化钛薄膜层用以形成塔姆等离激元增强氮化钛薄膜层光吸收率，氮化钛薄膜层和金属氧化物层形成肖特基势垒，金属氧化物层起着输运热电子的作用。
2. 根据权利要求1所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述金属氧化物层为二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或氧化锡薄膜；所述金属氧化物层厚度为5-50 nm。
3. 根据权利要求2所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述透明电极为铟锡氧化物、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡；所述透明电极厚度为20-100 nm。
4. 根据权利要求3所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述减反射层为氟化镁、氟化锂或氮化硅；所述减反射层厚度为50-300 nm。
5. 根据权利要求4所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述布拉格光栅周期为3-8；所述布拉格光栅中心波长为900-1500 nm。
6. 根据权利要求5所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述氮化钛薄膜层厚度为5-30 nm。
7.根据权利要求6所述的宽带热电子光探测器件，其特征在于：所述衬底为玻璃、塑料、陶瓷或硅片。
8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的宽带热电子光探测器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、衬底表面处：对衬底表面进行清洗以保证衬底表面干净无杂质；
S2、布拉格光栅制备：使用磁控溅射法在衬底上交替在衬底上沉积低折射率和高折射率电介质作为布拉格光栅；
S3、氮化钛薄膜层制备：使用磁控溅射法在布拉格光栅上沉积氮化钛薄膜层；
S4、金属氧化物层制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积金属氧化物层；
S5、透明电极制备：使用磁控溅射法在氮化钛薄膜层上沉积透明电极；
S6、减反射层制备：使用磁控溅射法在透明电极上沉积减反射层。
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