CN116412910A - 一种基于热载流子的多光谱传感器、芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电领域，公开了一种基于热载流子的多光谱传感器、芯片及其制备方法，其中多光谱传感器由多组传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中至少包含一个像素；像素为复合层式结构，包括：衬底，以及在所述衬底上依次沉积的背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层、包覆层；所述背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层共同构成F‑P共振腔；将多光谱传感器按照面阵排布即可组成大幅面的多光谱传感芯片。使用F‑P腔结构实现的分光系统和使用金属层/隧穿层/电子传输层结构实现的探测系统进行了集成，在工作波段光照射下实现光电转换，并且将分光系统和探测器集成为芯片级，实现了小型化和轻量化。

Description

一种基于热载流子的多光谱传感器、芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于光电领域，具体涉及一种用于多光谱探测的传感器及芯片。

背景技术

多光谱成像技术是能同时获取目标不同波长处空间图像信息的一种成像探测技术，通过光学系统设计实现成像技术与光谱技术的结合。基于自然界中不同物体在各个波段具有不同的反射率等特性，通过多谱段信息对比，可实现目标的识别及分析，是光电探测领域的一个新的发展方向。相对于单一的成像技术，其探测灵敏度、准确性均有很大的提升。不仅在物质分析等领域十分重要，而且其与遥感技术结合后也有很大的应用前景。目前该技术已经成功应用于国土资源、生态环境探测、地质和矿物资源的勘测、农业资源、土壤、海洋资源和大气环境的监测、气象观测、特殊气体检测、军事上的目标追踪和伪装识别等方面，并取得了一定的成就。

目前多光谱成像系统主要由前置望远系统、分光系统、探测器共同组成光谱成像系统，分光系统由光栅，棱镜或阵列滤光片构成，但由于其使用的用于分光的光栅和棱镜体积过大，使得系统不利于集成，使用阵列滤光片虽然使得系统体积减小，但滤光片使用的膜层高达数十层，制作困难，成本高。再者，现有多光谱成像系统中分光系统和探测器都是分离的元件，这不利于系统的集成。

发明内容

为解决目前多光谱设备中的分光系统和探测器为独立的元件不利于集成的问题，本发明提供一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量N，多光谱传感器由N组平铺排列的传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中至少包含一个像素；所述的像素为复合层式结构，包括：衬底，以及在所述衬底上依次沉积的背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层、包覆层；所述背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层共同构成F-P共振腔。

所述金属层及电子传输层上设置有电极，所述包覆层用于减少界面反射和保护光电探测器件，所述金属层在光激励情况下产生热载流子，所述隧穿层使能量高的热载流子通过隧穿层越到对面电子传输层，所述电子传输层具有传输热载流子和光学透明的双重特性，所述中间层用来调控由金属层和背反射层构成的F-P共振腔长，所述背反射层用于减少透射损失，增强F-P共振。

优选的多光谱传感器的边长尺寸位于10μm至40μm，在保证了足够强度响应电流，又控制了制作成本。单个传感器可用于多光谱探测每个波段的单像素成像，依靠收集光的强度信息对物体成像，多光谱每个波段的所有光子都被一个像素收集且单个像素的探测器容易制备，其具有结构简单，高灵敏，抗干扰，适合特殊波段成像的优势。

优选的所述包覆层包括：聚合物薄膜或电介质多层膜；所述背反射层包括：高反射率金属厚膜、布拉格堆栈层、介质膜之一。

本申请的方案中：金属层/隧穿层/电子传输层组成了类似金属/绝缘层/金属(即MIM)的多层薄膜结构，利用F-P共振腔激发金属层界面的表面等离激元，表面等离激元共振使得金属层/隧穿层/电子传输层结构中金属层大量激发热载流子，这些携带高能量的热载流子越过金属层/隧穿层势垒高度，扩散和隧穿到另一侧电子传输层中，同时在原激发金属层中留下热空穴，这些扩散到另一侧电子传输层的热载流子从而被收集输出电流；同理，另一侧电子传输层中的热电子也可以隧穿扩散到对侧，形成与上述过程相逆方向的电流，由于该装置在两侧金属中激发的热电子浓度不对称，正向和逆向相互抵消后，仍然有净电流输出。根据F-P共振腔原理可知其共振腔长d、工作波长λ、折射率n之间应满足公式

其中m为整数。本申请中每组传感单元对应一个光谱，每组传感单元中的像素中的F-P共振腔只对应该光谱的波长产生共振，多光谱传感器中设置N组传感单元从而能够在光照射下实现对特定波长光波的光电传感。

技术效果

电子传输层使用透明导电材料，形成金属层/隧穿层/电子传输层电学结构，因为电子传输层在紫外-可见-红外等宽广的电磁波段内吸收均为极低，无论采用何种陷光结构增加金属侧光吸收的同时均能最大程度保障电子传输层的低吸收率，从实现非对称吸收和非对称热载流子激发，避免较大逆向电流，从根本上保障最大净电流的输出。由于F-P共振腔的波长选择性，可以使得光电响应谱的品质因子(Q)数值较大(即线型瘦窄)，有利于高灵敏度的波长选择性体现。集成了多光谱探测的分光和探测系统，体系结构紧凑、兼容多层膜成熟工艺，不依赖额外的棱镜耦合器等表面等离激元激发装置，有利于微纳器件高密度集成，实现了小型化和轻量化。

附图说明

图1为实施例一中像素复合层式结构示意图；

图2为实施例一中4组传感单元单像素矩形平铺排列示意图；

图3为5组传感单元单像素L形平铺排列示意图；

图4为3组传感单元多像素矩形平铺排列示意图；

图5为3组传感单元截面为圆形的多像素排列示意图；

图6为背反射层设置为布拉格堆栈层结构示意图；

图7为4光谱传感器1024×512面阵芯片结构示意图；

图8为3光谱传感器1024×512面阵芯片结构示意图；

图中：01-包覆层；02-金属层；03-隧穿层；04-电极；05-电子传输层；06-中间层；07背反射层；08衬底。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请做进一步地详细描述。在本申请的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量4个，多光谱传感器由4组平铺排列的传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中至少包含一个像素；

所述的像素为复合层式结构，如图1所示，包括：衬底08，以及在所述衬底上依次沉积的背反射层07、中间层06、电子传输层05、隧穿层03、金属层02、包覆层01；所述背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层共同构成F-P共振腔，所述金属层及电子传输层上设置有电极04，所述包覆层用于减少界面反射和保护光电探测器件，所述金属层在光激励情况下产生热载流子，所述隧穿层使能量高的热载流子通过隧穿层越到对面电子传输层，所述电子传输层具有传输热载流子和光学透明的双重特性，所述中间层用来调控由金属层和背反射层构成的F-P共振腔长，所述背反射层用于减少透射损失，增强F-P共振。

工作过程为：光源照射到包覆层01上，并透过包覆层01，进入金属层02；金属层02中自由电子被光子激发，跃迁到高能级，成为热载流子；热载流子在金属层02中自由扩散，其中一部分扩散至金属层02和隧穿层03界面处，并越过界面势垒，通过隧穿层03，到达电子传输层05中。上述过程是描述金属层02中所激发的热载流子的运动过程，而实际上电子传输层中也会激发热载流子，其输运过程与上述路径相逆。但是该体系中由于电子传输层透明导电的本质导致其光吸收极少，因此相逆的热载流子电流极其微弱，甚至可以忽略不计。

该体系两电子输运层(金属层02和电子传输层05)非对称的光吸收，主要通过两大策略得以实现：1)通过金属02和背反射层07构建F-P谐振腔，其谐振波长通过中间层厚度来调控，使其F-P谐振腔满足谐振腔条件

在共振频率范围，光波能够透过金属层02，并在腔内驻波的作用下(光波在类F-P腔两端镜面之间反复震荡)，使得金属层02的吸收大大增加。因此只需合理调节F-P腔的腔长，即可使工作波段的吸收大大增加并输出对应电流信号，相当于实现了滤波片的功能2)利用了导电层光学透明的特性。另外，由于金属和电子传输层的良导体特性，使得该体系的热载流子能够方便地通过电极输出。

本实施例中更为详尽的实例为：一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量4个，多光谱波段分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄；多光谱传感器由平铺排列的λ₁传感单元、λ₂传感单元、λ₃传感单元、λ₄传感单元组成；λ₁传感单元中的至少包含一个λ₁像素，且其F-P共振腔的腔长

λ₂传感单元中的至少包含一个λ₂像素，且其F-P共振腔的腔长/>

λ₃传感单元中的至少包含一个λ₃像素，且其F-P共振腔的腔长/>

λ₄传感单元中的至少包含一个λ₄像素，且其F-P共振腔的腔长/>

以多光谱波段分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为480nm、555nm、640nm、780nm为例，一种基于热载流子的多光谱传感器，多光谱传感器由4组平铺排列的传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中包含一个像素；如图2所示，λ₁像素、λ₂像素、λ₃像素、λ₄像素外形均为正方形，通过2×2方式排布成正方形；包覆层01选用单层MgF₂增透膜，金属层02选用厚度为30nm的银膜，隧穿层03选用厚度为5nm的氧化锌层，电子传输层05选用厚度为0.34nm的单层石墨烯层，中间层06选用二氧化硅层；根据各λ₁、λ₂、λ₃、λ₄波段波长得知其对应的λ₁像素谐振腔、λ₂像素谐振腔、λ₃像素谐振腔、λ₄像素谐振腔的腔长分别为165nm、188nm、217nm、265nm；背反射层07选用厚度为30nm的铝膜；衬底08选用玻璃。共振腔长为背反射层07上表面至金属层02下表面之间的厚度，在本申请中，由于隧穿层03及电子传输层05的总厚度仅为几个纳米，因此共振腔长近似等于中间层的厚度。

优选的，所述包覆层01使用聚合物纳米孔隙薄膜。聚合物纳米孔隙薄膜可以达到相对较低的折射率，从而实现高透过率增透膜对材料折射率的要求；聚合物纳米孔隙薄膜采用的旋涂成膜工艺制备，方法简单，制备成本较低；在光学性能上聚合物纳米孔隙薄膜的增透效果也远远优于传统增透膜。一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量N个，多光谱传感器由N组平铺排列的传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中至少包含一个像素；其中N组平铺排列的传感单元整体排布为矩形或L形。图3所示，多光谱波段分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅，每组传感单元中均只有一个像素，其N组平铺排列的传感单元整体排布为L形。

实施例二

至少一种方案中一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量3个，多光谱波段分别为λ₁、λ₂、λ₃；多光谱传感器由平铺排列的λ₁传感单元、λ₂传感单元、λ₃传感单元；λ₁传感单元中的至少包含一个λ₁像素，且其F-P共振腔的腔长

λ₂传感单元中的至少包含一个λ₂像素，且其F-P共振腔的腔长/>

λ₃传感单元中的至少包含一个λ₃像素。

这多光谱传感器中每组传感单元可以包含若干像素，不同组传感单元中的像素尺寸大小和数量可以设置为不同，样做的原因是考虑到不同波长激发的热载流子强度不同，例如蓝光波长短能量高，因此较小尺寸和较少数量的像素就可以得到较大的电流；而红光激发的热载流子强度低，因此需要更多的像素点和像素面积。这样的排列方式使得光能的利用率显著提高，如图4所示，多光谱波段λ₁、λ₂、λ₃分别为500nm、480nm、400nm，多光谱传感器整体呈矩形，其中λ₁传感单元由4个分别位于角点位置的λ₁像素组成，λ₂传感单元由4个分别位于边线中心位置的λ₂像素组成，λ₃传感单元由1个位于矩形中心的λ₃像素组成。

像素截面形状为正方形、六边形或者圆形等。如图5所示，像素截面形状均为圆形，其边直径位于5μm至12μm。

多光谱波段λ₁、λ₂、λ₃多光谱传感器整体呈矩形，其中λ₁传感单元由4个λ₁像素组成，λ₂传感单元由5个λ₂像素组成，λ₃传感单元由4个λ₃像素组成。优选的，为防止不同像素间电流可能存在的串扰问题，将各像素之间距离应大于800nm且小于55μm。感器中像素的间隔超过5μm时，分辨率会迅速降低；小于800nm时，会显著增加制造难度。

实施例三

一种基于热载流子的多光谱传感器，多光谱波段λ₁、λ₂、λ₃、λ₄分别为480nm、555nm、640nm、780nm；任意像素中：如图6所示，包覆层01使用一层增透膜，金属层02用厚度为30nm的银膜，隧穿层03使用5nm的氧化锌层，电子传输层05为厚度0.34nm单层石墨烯，中间层06选用二氧化硅层，像素中间层06的厚度由其在所传感单元对应的工作波长决定；背反射层设置为由厚度215nm的二氧化钛层09及厚度267nm的氧化硅层10周期性层叠形成布拉格堆栈层，衬底08使用玻璃。布拉格堆栈层可使得背反射层反射率接近100％。通过改变金属层02和布拉格堆栈层之间的F-P腔腔长，可以实现不同共振频率的激发。

优选的背反射层设置为由厚度为205nm的五氧化二钽层和284nm的氟化镁层周期性层叠形成布拉格堆栈层。二者折射率相差更大，可以适当减少堆栈层数，并且五氧化二钽无论以何种方式制备都比镀制二氧化钛要稳定，更容易得到更小吸收及散射的薄膜。

实施例四

一种基于热载流子的多光谱传感芯片，其由基于热载流子的多光谱传感器按照面阵方式阵列排布而成。如图7所示的多光谱传感芯片由4光谱波段λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光谱传感器1024×512面阵排列而成；图8所示的多光谱传感芯片由3光谱波段λ₁、λ₂、λ₃光谱传感器1024×512面阵排列而成，芯片尺寸大小为12.2mm×6.1mm。

相比于使用单个光谱传感进行的单像素探测，通过将多光谱传感器进行面阵排列组成多光谱传感芯片，可以扩大探测面积，提高空间分辨率，完成更复杂的探测任务，更具有实际应用价值。

实施例五

一种基于热载流子的多光谱传感芯片的制备方法包括如下步骤：

S1.根据多光谱传感芯片所需的探测波长和像素尺寸，确定像元各个像素中间层的厚度并制备压印印章；

S2.在衬底上镀一层背反射层；

S3.使用掩模电子束蒸发工艺在背反射层上制备中间层，并在中间层上涂覆压印材料，利用纳米压印形成具有不同厚度的压印图形；

S4.以具有不同厚度的压印图形为掩膜，利用反应离子束刻蚀工艺将压印图形厚度转移到中间层上；

S5.依次使用掩模制备中间层上部的电子传输层，隧穿层，金属层和包覆层。

通过上述步骤中S1和S4控制每个像素中间层的厚度，因此各个像素的F-P腔厚度与由其所对应的工作波长决定，从而使得制备的多光谱传感芯片拥有一系列不同的探测工作波长。

本专利使用类似金属/绝缘层/金属多层薄膜(MIM)结构形成的法布里-珀罗腔(F-P腔)作为传感器，利用该腔体共振实现金属层工作波段高吸收形成热载流子实现光电转换；石墨烯材料作为电子传输层即可利用其高导电率特性，替代原始的“金属/绝缘层/金属”即经典MIM结构中的一端金属又可利用其半透明特性，从而为F-P腔提供实现条件；基于热载流子输运原理实现光电转换，而非常规半导体器件中依赖半导体掺杂；将使用F-P腔结构实现的分光系统和使用金属层/隧穿层/电子传输层结构实现的探测系统进行了集成，在工作波段光照射下实现光电转换，并且将分光系统和探测器集成为芯片级，实现了小型化和轻量化。该器件结构简单，加工工艺和现有薄膜工艺技术相容，避开了微纳结构构筑的复杂工艺，提高了生产效率，同时降低成本。具备极高的波长分辨率，和灵活的目标波长调控途径，对于不同的波段探测任务，只需要改变中间层的厚度，无需改变其他层的结构，能够根据应用需求设计不同产品型号。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于热载流子的多光谱传感器，该多光谱的光谱数量N，多光谱传感器由N组平铺排列的传感单元组成，其中每组传感单元对应一个光谱；每组传感单元中至少包含一个像素；其特征在于，所述的像素为复合层式结构，包括：衬底，以及在所述衬底上依次沉积的背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层、包覆层；所述背反射层、中间层、电子传输层、隧穿层、金属层共同构成F-P共振腔。

2.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，所述包覆层包括：聚合物薄膜或电介质多层膜；所述背反射层包括：高反射率金属厚膜、布拉格堆栈层、介质膜之一。

3.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，该多光谱的光谱数量N个，多光谱传感器由N组平铺排列的传感单元组成，每组传感单元中至少包含一个像素；其中N组平铺排列的传感单元整体排布为矩形或L形。

4.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，不同组传感单元中的像素尺寸大小和数量设置为不同。

5.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，多光谱波段λ₁、λ₂、λ₃分别为500nm、480nm、400nm，多光谱传感器整体呈矩形，其中λ₁传感单元由4个分别位于角点位置的λ₁像素组成，λ₂传感单元由4个分别位于边线中心位置的λ₂像素组成，λ₃传感单元由1个位于矩形中心的λ₃像素组成。

6.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，各像素之间距离应大于800nm且小于55μm。

7.根据权利要求1所述的基于热载流子的多光谱传感器，其特征在于，所述背反射层配置为由二氧化钛层及氧化硅层周期性层叠或由五氧化二钽层和的氟化镁层周期性层叠形成布拉格堆栈层。

8.一种基于热载流子的多光谱传感芯片，其特征在于，其由权利要求1至8之一所述的基于热载流子的多光谱传感器按照面阵方式阵列排布而成。

9.一种如权利要求8所述基于热载流子的多光谱传感芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.根据多光谱传感芯片所需的探测波长和像素尺寸，确定像元各个像素中间层的厚度并制备压印印章；

S2.在衬底上镀一层背反射层；

S3.使用掩模电子束蒸发工艺在背反射层上制备中间层，并在中间层上涂覆压印材料，利用纳米压印形成具有不同厚度的压印图形；

S4.以具有不同厚度的压印图形为掩膜，利用反应离子束刻蚀工艺将压印图形厚度转移到中间层上；

S5.依次使用掩模制备中间层上部的电子传输层，隧穿层，金属层和包覆层。

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