CN115172521B - 一种卷曲管状光电探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卷曲管状光电探测器的制备方法，包括以下步骤：(1)在衬底上制备牺牲层、机械支撑层，并图形化处理；(2)制备用于信号检测的金属电极；(3)制备半导体薄膜作为光电转换功能层；(4)去除牺牲层，释放薄膜，将薄膜弯曲成管状结构。与现有技术相比，本发明探测器管状结构光学微腔中自身的谐振模式和陷光效应，结合表面微结构增强的光场局域效应，大幅提升器件的光子调控能力，增加光吸收，提升器件对光场响应，从而得到高灵敏度的光学器件，该探测器件能实现全角度探测，灵敏度高，制备简易，在可见光通讯、光电转换、环境探测等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学、微纳光学元器件技术领域，具体涉及一种卷曲管状光电探测器的制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，光成为传递信息的重要载体。光电探测器作为光-电转换的核心，其性能将直接影响整个光电信息系统。因此，近年来相关行业领域对高性能光电探测器的需求迅速增加，提升光电探测器的性能(如灵敏度、比探测率、亚阈值摆幅、光电转换效率等)具有重要意义。
随着微纳加工工艺的发展，可以限制特定波长的光学微腔在基础理论研究和实际应用上如光电子学、集成光学、光通讯、光计算等领域具有重要的应用前景(Nature 2003,421,925.)。而在管状结构构成的光学微腔中，光在管壁/介质界面处的全反射，使得光波可以在其环状截面中传播并与自身干涉构成稳定的驻波，这种情况的光学模式被称为回音壁模式(WGM,Whispering Gallery Mode)。处于这种光学谐振模式下，只有特定波长的光波可以在该管状结构中传播，其波长被称为谐振波长(Opt.Express 2007,15,9139.)。此外，三维管状结构的内反射陷光效应也可以有效增强光与材料的相互作用(Sci.Adv.2016,2,e1600027.)。
基于管状结构的光电探测器件具有实现集发射、接收一体化以及高密度集成的优点，近年来研究进展十分迅速。研究表明基于管状三维光学微腔的相应光电探测器具有更高的灵敏度，具有更宽的响应角度范围，对各个方向的入射光的探测灵敏度一致(Sci.Adv.2016,2,e1600027.)。这一优势对室内可见光通信的等需要接收各个方向入射光的应用场景具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种卷曲管状光电探测器的制备方法，提升光电探测性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种卷曲管状光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上制备牺牲层、具有预应力梯度的机械支撑层，并图形化处理；
(2)制备用于信号检测的金属电极；
(3)制备半导体薄膜作为光电转换功能层；
(4)去除牺牲层，释放薄膜，在预应力梯度作用下，将薄膜(包括机械支撑层、电极、半导体层)弯曲成管状结构。
优选地，步骤(1)所述的衬底材料为微硅片、光学石英片、蓝宝石片或SOI(Si-On-Insulator)片。
优选地，步骤(1)所述的图形化处理采用光刻，光刻图形为条状、块状或圆形。
优选地，步骤(2)所述的金属电极的制备方法包括物理气相沉积法，所使用的金属电极材料为Au、Ag或Al。
优选地，步骤(3)所述的半导体薄膜材料为硅、III-V族半导体材料、或者包含量子点或量子阱的半导体薄膜，厚度在5～100nm。
优选地，在所述的半导体薄膜上制备表面精细微结构。
进一步优选地，所述的精细微结构组成为贵金属阵列或孔洞阵列。
更进一步优选地，所述的贵金属阵列通过气相沉积法制备，所使用的贵金属材料包括Au、Ag或Cu。
更进一步优选地，所述的贵金属阵列厚度为5-500nm，沿器件主体方向的周期为5-500nm。
更进一步优选地，所述的孔洞阵列通过电子束曝光技术(Electron BeamLithography，EBL)图形化。
更进一步优选地，所述的孔洞阵列中，单元孔洞呈方形，其边长为100-1000nm。
更进一步优选地，所述的孔洞阵列中，单元孔洞呈圆形，其直径为100-1000nm。
更进一步优选地，所述的孔洞阵列中，单元孔洞沿器件主体方向的周期为100-1000nm。
优选地，步骤(4)使用化学腐蚀的方法去除牺牲层。
优选地，步骤(4)所述的管状结构直径为1-50μm，长度为20-500μm。
本发明采用剥离工艺的原理，利用纳米薄膜本身的纵向内应力梯度，将去掉牺牲层后释放的自支撑纳米薄膜卷曲组装成管状结构。作为新型的微纳结构制备技术，本发明卷曲纳米技术能够与集成电路制造工艺兼容，可以按需制备不同材料与结构的卷曲管状结构，具有很好的结构可设计性。特别是，卷曲纳米技术可以采用微纳加工平面纳米薄膜再卷曲的方式获取复杂的三维精细结构，避免了微纳尺度下曲面加工的难题。光电探测器的性能均依赖于材料对光的吸收，因此提升光电探测器性能的核心就是提升光与材料的相互作用。本发明利用光学精细结构如贵金属光栅、阵列结构等，有效提升器件的光吸收能力。
本发明中，基于预应力梯度，通过沉积、释放等技术制备得到薄膜卷曲三维管状的光学微腔器件。在构筑薄膜上的微结构时，以沉积和图形化技术制备贵金属微纳结构阵列，或通过图形化和刻蚀技术制备孔洞阵列。该探测器件通过结合三维管状的光学微腔以及包括贵金属阵列、孔洞阵列在内的微结构用于光子调控增强光吸收。该探测器件灵敏度高，制备简单，在光通信探测等方面具有重要的应用前景。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明制备过程简单、环保、易于操作；
2.本发明将三维管状光学微腔与微结构(包括贵金属阵列或孔洞这列)结合起来，综合两者优势，提升了光电探测的性能；
3.本发明得到了一种基于半导体薄膜的微结构增强的管状光电探测器件，当光入射到器件表面微结构上，利用表面微结构的光局域增强，结合管状光学微腔的谐振或陷光效应，实现三维光子调控来提高可见光波段的光吸收；
4.本发明结合WGM模式光学微腔和微结构(包括贵金属阵列、孔洞阵列)，通过三维光子调控实现光吸收性增强，最终得到高性能光电探测器；
5.本发明探测器管状结构光学微腔中自身的谐振模式和陷光效应，结合表面微结构增强的光场局域效应，大幅提升器件的光子调控能力，增加光吸收，提升器件对光场响应，从而得到高灵敏度的光学器件，该探测器件能实现全角度探测，灵敏度高，制备简易，在可见光通讯、光电转换、环境探测等领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备光电探测器件中管状结构微腔步骤图示(截面图)。其中，(a)为在衬底1上沉积牺牲层2和机械支撑层3；(b)表示对牺牲层2和机械支撑层3薄膜进行光刻图形化；(c)在机械支撑薄膜上沉积金属电极层4；(d)在顶层沉积半导体功能薄膜5；(e)去掉牺牲层2后，被释放的机械支撑层3，金属电极层4，功能薄膜5在预应力梯度作用下卷曲形成管状结构6。
图2为本发明中贵金属阵列增强的光电探测器件示意图，该器件中贵金属阵列的设计包括颗粒阵列7和纳米周期结构阵列8。经过释放过程，制备得到具有贵金属阵列微结构的管状光电探测器件。
图3为本发明中孔洞阵列增强的光电探测器件示意图，该器件中孔洞阵列9通过电子束曝光技术在半导体薄膜上构筑。经过释放，制备得到具有孔洞阵列微结构的管状光电探测器件。
图4为本发明中管状光电探测器件工作状态示意图。该器件中，在衬底1上，管状结构6表面已构筑了微结构10，由金属电极4接入电学仪器来测试其光电响应。
图5为本发明中利用不同厚度机械支撑层卷曲制备的管状结构的光学显微图片，管状结构的直径分别为1.2、1.9μm。
图中：1-衬底，2-牺牲层，3-机械支撑层，4-金属电极层，5-半导体功能薄膜，6-管状结构，7-贵金属颗粒阵列，8-贵金属纳米周期阵列，9-孔洞阵列，10-表面微结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种卷曲管状光电探测器的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(a)在衬底1上沉积牺牲层2和机械支撑层3；
(b)对牺牲层2和机械支撑层3薄膜进行光刻图形化；
(c)在机械支撑薄膜上沉积金属电极层4；
(d)在顶层沉积半导体功能薄膜5；
(e)去掉牺牲层2后，被释放的机械支撑层3，金属电极层4，功能薄膜5在预应力梯度作用下卷曲形成管状结构6。
以下为具体实施例：
实施例1
基于半导体薄膜的管状三维光电探测器的制备
(1)采用(100)硅片作为衬底。所用牺牲层为Ge，该牺牲层采用电子束蒸发方法在衬底表面沉积薄膜，沉积速率为厚度约为50μm，控制腔体的气压为10-4Pa。
(2)引入预应力梯度的机械支撑层为双层氮化硅，利用等离子增强化学气相沉积依次低频、高频生长得到残余应力方向相反的双层氮化硅薄膜，并利用光刻技术图形化成长方形。
(3)结合电子束蒸发和光刻技术制备条状金属电极。先沉积一层Ni薄膜作为粘附层，厚度5nm，再沉积Au作为电极，厚度50nm。然后图形化成长条状。
(4)半导体功能薄膜材料选择为Si，采用化学气相沉积法制备，厚度50nm。利用光刻技术将机械支撑层和半导体层图形化成边长为100μm×200μm的长方形。
(5)将样品置于腐蚀溶液中，腐蚀掉牺牲层释放其上多层薄膜结构。基于机械支撑层的内应变梯度，器件可以卷曲成管状结构，其直径为30μm，长度为200μm。半导体硅薄膜功能层可实现对可见光的探测。
实施例2
贵金属颗粒阵列增强的管状结构制备
参考实施例1，在半导体层表面构筑贵金属阵列以达到光吸收增强的效果。
(1)利用电子束蒸发技术，在前述实施例1中步骤(4)所述的半导体功能薄膜层上沉积一层Ni薄膜作为粘附层，沉积速率厚度5nm。再沉积一层Au颗粒，沉积速率厚度5nm。
(2)将沉积了Au颗粒的薄膜器件进行退火工艺处理。目的是为使得Au颗粒在半导体薄膜表面均匀分布并细化颗粒。
(3)将退火后的薄膜器件置于腐蚀液中进行释放卷曲。
(4)将电学测试设备接于电极两侧，在卷曲管状结构上同一位置放置可调功率的光源，测试该硅基三维管状光电探测器的光电转换及吸收能力，工作波长范围在可见光波段为400nm-1100nm。
该探测器中，金属纳米颗粒为器件表面带来表面等离子体谐振效应。入射光(电磁波)照射在金属-介质界面上，金属表面的自由电子发生集体振荡。在谐振频率下，光子与金属表面自由电子发生耦合。可见光被局域在金属表面的亚波长区域，发生场增强，最终提高器件的灵敏度。
实施例3
贵金属周期凹槽阵列增强的管状结构制备
参考实施例1，在半导体层表面构筑贵金属周期凹槽阵列以达到光吸收增强的效果。
(1)利用化学气相沉积技术，在前述实施例1中步骤(2)所述的双层氮化硅机械支撑层上结合电子束蒸发和光刻技术制备条状Au金属电极，厚度50nm。
(2)沉积III-V族化合物半导体薄膜，并图形化为20μm×20μm的正方形。
(3)在半导体功能层上上沉积一层Ni薄膜作为粘附层，沉积速率厚度5nm。沉积一层Ag纳米膜，沉积速率/>厚度70nm。
(4)通过电子束曝光光刻技术制备表面金属周期性凹槽阵列。金属凹槽阵列包含长度为20μm，深度为60nm，宽度为150nm的凹槽，周期为300nm。在凹槽阵列上离子溅射沉积一层10nm的Au纳米薄膜。
(5)将沉积了多层功能层的薄膜器件置于腐蚀液中进行释放卷曲。所得管状结构管径为5μm，长度为20μm。
(6)将电学测试设备接于电极两侧，在卷曲管状结构上同一位置放置可调功率的光源，测试该三维管状光电探测器的光电转换及吸收能力，工作波长范围在在蓝紫光波段为200-365nm。
该探测器中，金属纳米颗粒为器件表面带来表面等离子体谐振效应。入射光(电磁波)照射在金属-介质界面上，金属表面的自由电子发生集体振荡。在谐振频率下，光子与金属表面自由电子发生耦合。可见光被局域在金属表面的亚波长区域，发生场增强，最终提高器件的灵敏度。
实施例4
表面孔洞阵列增强的管状结构制备
参考实施例1，在半导体层表面构筑孔洞阵列以达到光吸收增强的效果。
(1)利用分子束外延技术，在前述实施例1中步骤(2)所述的机械支撑层上结合电子束蒸发和光刻技术制备条状Au金属电极，厚度80nm。
(2)沉积50nm GaAs/AlGaAs量子阱层，并图形化为200μm×500μm的长方形。
(3)使用电子束刻蚀的方法，在半导体薄膜上制备具有周期结构的孔洞阵列图形。单元孔洞呈正方形，其边长为700nm，器件主体方向的周期为200nm。如图3所示。
(4)将表面具有孔洞结构的薄膜器件置于腐蚀液中进行释放卷曲。所得管状结构管径为50μm，长度为500μm。
(5)将电学测试设备接于电极两侧，在卷曲管状结构上同一位置放置可调功率的光源，测试该硅基三维管状光电探测器的光电转换及吸收能力，工作波长范围在远红外波段为3-8μm。
该探测器中，表面的周期性孔洞结构可对管内支持的WGM发生模式耦合，实现对特定WGM的选择和其他WGM的削弱，能够对特定波长进行筛选，从而可实现光电探测对所探测波长的筛选。
本发明提供了一种基于半导体薄膜的微结构增强的管状光电探测器件及其制备方法与应用，尤其是由贵金属阵列和孔洞阵列微结构增强的光电探测器件及其应用，当光入射到器件表面微结构上，该器件可利用包括贵金属阵列、孔洞阵列在内的表面微结构的光局域增强，以及管状光学微腔的谐振模式或陷光效应来实现三维光子调控，提高工作波段的光吸收。该探测器件灵敏度高，无角度依赖，制备简单，在光通信探测、光电转换等方面具有重要的应用前景。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在衬底上制备牺牲层、机械支撑层，并图形化处理，牺牲层为Ge，机械支撑层为残余应力方向相反的双层氮化硅，图形化处理采用光刻，光刻图形为条状、块状或圆形；
（2）制备用于信号检测的金属电极；
（3）制备半导体薄膜作为光电转换功能层；
（4）在半导体薄膜上制备精细微结构，精细微结构组成为贵金属阵列或孔洞阵列；
（5）去除牺牲层，释放薄膜，基于机械支撑层的内应变梯度，薄膜弯曲成管状结构；
所述贵金属阵列由在半导体薄膜上沉积一层贵金属纳米颗粒得到；
或者，所述贵金属阵列由在半导体薄膜表面制备金属周期性凹槽阵列，并在凹槽阵列上沉积一层贵金属纳米薄膜得到，贵金属阵列厚度为5-500 nm，沿器件主体方向的周期为5-500 nm；
所述孔洞阵列为直接在半导体薄膜上刻蚀形成的具有周期结构的孔洞阵列，孔洞阵列中，单元孔洞呈方形或圆形，当单元孔洞呈方形时，其边长为100-1000 nm，当单元孔洞呈圆形时，其直径为100-1000 nm。
2.根据权利要求1所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的衬底材料为微硅片、光学石英片、蓝宝石片或SOI片。
3.根据权利要求1所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的金属电极的制备方法包括物理气相沉积法，所使用的金属电极材料为Au、Ag或Al。
4.根据权利要求1所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的半导体薄膜材料为硅、III-V族半导体材料、或者包含量子点或量子阱的半导体薄膜，厚度在5~100 nm。
5.根据权利要求1所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的贵金属阵列通过气相沉积法制备，所使用的贵金属材料包括Au、Ag或Cu。
6.根据权利要求1所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的孔洞阵列通过电子束曝光技术图形化形成。
7.根据权利要求1~6任一项所述的卷曲管状光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述的管状结构直径为1-50 μm，长度为20-500 μm。
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