CN209087884U - 一种用于制作红外探测器的复合结构及红外探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电探测和传感技术领域，为解决现有技术中基于金属吸收的光探测器光吸收不高和吸收波段调制困难的问题，提出一种用于制作红外探测器的复合结构，利用金属微纳米孔阵列层/半导体薄膜/金属薄膜复合结构构筑基于金属吸收的热电子红外探测器；通过激发顶层金属微纳米孔阵列的局域等离子共振、底层金属薄膜的表面等离激元，以及将两者耦合起来形成的杂化型等离子共振来极大增加金属对入射光的吸收，并将上下两层金属吸收光产生的热载流子均注入到中间半导体层，从而得到可观的光响应度；通过调控顶层微纳米孔的周期和直径、中间半导体层的厚度和折射率可以实现从近红外到中红外的可调光谱吸收。

Description

一种用于制作红外探测器的复合结构及红外探测器

技术领域

本实用新型属于光电探测和传感技术领域，涉及一种复合结构及红外探测器。

背景技术

红外探测器的发展是红外技术发展的先导，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。近几十年红外技术的应用范围非常广泛，比如侦查、夜视、制导、气象、地貌、环境监测、遥感、热成像、光谱等。随着应用领域的拓宽，人们对红外探测波段范围的需求更高。为推动红外技术发展,欧美等发达国家已率先启动无缝隙频谱波段探测计划，在长波红外/中波红外/可见光/微波等波段探测方面获得了重要进展。然而，高性能的红外光电探测器仍是当前发展的瓶颈。近年来，随着纳米科技与制备工艺的发展，红外探测逐渐朝着纳米结构化方向发展。

在当前主流的光电探测器中，光吸收材料为半导体材料，器件结构包括：光电导型、p-n(或p-i-n)结型、肖特基结型和隧道结型。虽然目前先进的制造技术，可以将半导体层加工成微纳结构，使得基于半导体吸收的探测器的光响应度和等效噪声功率等技术指标相对块体结构具有极大提高，但半导体材料带隙却严重制约了可探测光波的范围。当入射光能量小于所用半导体材料的带隙时，探测器没有光响应；而当入射能量大于该带隙时，探测器虽有响应但不能实现窄带探测和选择性波长的探测。因此，发展区别于基于半导体吸收的新型光探测器件十分必要。

近年来，基于金属吸收的热电子光探测器的相关理论及应用研究引起了越来越广泛的关注，并取得了一些重要成果。2011年F.Wang和N.A.Melosh揭示了由金属-介质-金属多层结构组成的隧道结热电子的收集过程(Nano Letters,2011,11(12):5426–5430)，并建立了对应理论模型。2013年，他们进一步揭示了不同入射光照条件下两金属层之间开路电压的变化情况(Nature Communications,2013，4:1711–1717)，这些研究为基于金属吸收的热电子探测的发展奠定了扎实基础。

基于金属吸收的热电子探测器，其工作结包括两类：隧道结和肖特基结。基于隧道结的热电子探测器，其光响应依靠收集产生于金属并隧穿过中间介质层的热载流子，此时中间介质层的厚度和成膜质量对器件性能的影响极为关键。当介质层的厚度太厚时(如大于10nm),热载流子几乎不能随穿过介质层；而当介质层的厚度太薄时(如小于5nm),介质层难于形成较大面积的连续薄膜层(而是不连续的纳米岛或存在大量纳米孔的薄膜)，导致器件短路而不能工作。基于肖特基结的热电子探测器，在肖特基结界面附近的热电子可较容易地注入至半导体中，而远离结界面的热电子被收集的概率极低。为了提高金属的光吸收和热载流子的收集效率，往往将金属层加工成纳米结构阵列，通过激发局域等离子共振来增加金属吸收和引入光近场效应。若要实现特定窄带的光吸收，需要精确控制金属纳米结构的尺寸、形状和排列，此时这些结构的制备必需依靠高精密的纳米加工技术，此过程耗时、成本高且难于制得大幅面(如厘米级)的器件。

实用新型内容

为解决现有技术中基于金属吸收的红外光探测器的光吸收不高和吸收波段调制困难的问题，提出一种用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述的红外探测器为复合层式结构，由下而上依次为基底、底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层。

进一步的，所述顶层金属微纳米孔阵列层的厚度为20～40nm，微纳米孔阵列为六方排布，相邻两孔的中心距离为500～4000nm，孔径为相邻两孔中心距离的30％～90％。

进一步的，所述中间半导体层的厚度为30～80nm。

进一步的，所述底金属膜层的厚度为50～200nm。

进一步的，所述的底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层之间均以肖特基方式接触。

进一步的，所述中间半导体层的材料选自氧化钛TiO₂、氧化锌ZnO、氧化钨WO₃、氧化锡SnO₂、氧化铟In₂O₃和五氧化二钽Ta₂O₅之一。

上述符合材料用于红外探测的工作原理如下：采用的顶层金属的形貌为微纳米孔阵列，该结构可以激发局域等离子共振而增强顶层金属的光吸收；同时入射光可以穿过这些微纳米孔到达底层金属，而在底层金属表面激发表面等离激元。顶层金属的局域等离子共振与底层金属产生的表面等离激元，可以在中间层的厚度和折射率为某些特定值时发生耦合而形成强烈地杂化型等离子共振，从而在此共振波长处产生的较为理想的光吸收。其中，微纳米孔的直径和相邻中心距、中间半导体层的厚度和折射率影响着杂化型等离子共振的中心波长。所以，通过调整这些参数可以实现不同光谱波段的探测。

工作过程为金属吸收光而产生热电子，这些热电子跃过肖特基势垒而被半导体层收集。如附图2所示，当金属费米能级低于n型半导体的费米能级时，两者接触后在达到热平衡状态时两费米能级被拉平，从而导致n型半导体的能级在接触界面发生向上弯曲。其中，金属与半导体层的接触势垒Φ(即肖特基势垒)对热电子的注入概率和暗电流具有决定性的作用。器件制备工艺、材料的选取等都会影响此接触势垒Φ。本技术方案用于红外探测的工作机制是：顶层金属产生较强的光吸收而产生热电子，虽然这些热电子非均匀地分散于微纳米孔结构化的金属薄膜内部，但由于此层金属薄膜的厚度较小(小于热电子的平均自由程)，所以大部分热电子可以扩散到达金属/半导体界面，能量高于势垒的热电子则可以跃过接触势垒Φ注入到半导体层的导带E_c而被收集；而底层金属对入射光也具有不可忽略的光吸收作用，但产生的热电子则沿着底层金属表面的法线方向由表及里呈现指数关系的衰减，也就是大部分的热载流子集中在靠近底层金属的上表面，这样底层金属产生的大部分热电子也能扩散至金属/半导体界面。当由两层金属引出的导线与由半导体层引出的导线形成回路时，电子能够由中间半导体层引出而流向外部电路，从而表现出宏观电流。当在金属层施加相对半导体层的正偏压时，外加电场将促进热电子的收集，从而表现出更大的光电流。当然，若只是在顶层金属或底层金属之一引出的导线作为一个输出端，而另一个输出端仍为半导体层上引出的导线时，光电流将明显小于前面的那种连接方式。而若将顶层金属和底层金属引出的两个导线作为器件的输出端(此时半导体层不引出导线)时，光电流难以被测量到(即使外加了一个大偏压)。

与现有技术相比优点如下：

本技术方案是通过可调谐的金属微纳米孔结构参数和中间半导体层的厚度和材质来实现探测波段的调控，本探测器的光响应谱不受半导体带隙的限制，既定结构参数下对应的响应光谱较窄。但通过调节结构参数，可以在近红外到中红外光谱范围内实现目标波长或窄波段的高响应度探测。

利用杂化型等离子共振来增强器件中金属对入射光的吸收，同时将顶、底层金属中所产生的热电子均注入到中间半导体层，从而保证热载流子能够充分有效地收集起来。而对于基于金属/绝缘介质层/金属(MIM)结构的隧道结热电子探测器，两层金属中的热电子是不能同时被收集且要相互抵消一部分；另外，基于MIM结构的探测器对中间层的要求非常高(非常薄、均匀且无介孔缺陷)。故与基于MIM结构的隧道结热电子探测器相比，本方案的探测器制备更容易，成本更低，且具备响应度更高的性能指标。

基于上述技术方案还提供一种红外探测器，由上述方案中的复合结构制成；其中底金属膜层和顶层金属微纳米孔阵列层通过导线连接。使用时只需从底金属膜层和中间半导体层上分别引出电极导线,两个电极导线作为输出端与外界电路连接形成回路即可进行红外探测。

所涉及的微纳结构为连成一体的微纳米孔结构化的薄膜层。此结构可以大面积(厘米级)、批量制备；而通常的微纳米结构则为离散、周期型分布的微纳米柱(或微纳米块或其他形状)，这些结构一般采用对单结构逐一加工的技术而得到，需要用到电子束曝光或聚焦离子束加工技术等精密加工技术。此外，顶层金属为连成一体的微纳米孔阵列，可以将顶层金属内部不同区域产生的载流子引出至电极导线，而对于采用离散、周期性的微纳米结构阵列作为顶层金属的探测器，单根的顶层金属的电极导线不能将不同区域的载流子引出。故相对于其他金属微纳米结构基的热电子探测器，制备成本较低、且器件性能更好。

附图说明

图1为用于制作红外探测器的复合结构的示意图；

其中：11、基底；12、底金属薄膜；13、中间半导体层；14、顶层金属微纳米孔阵列层；101、金属层引出的电极导线；102、半导体层引出的电极导线。

图2为探测器的工作原理示意图。

图3为仿真计算所得各层金属对垂直入射光的吸收谱；

其中：31、两层金属对入射光的吸收总和曲线；32、顶层金属微纳米孔阵列层对入射光的吸收曲线；33、底层金属对入射光的吸收曲线。

图4为仿真计算所得相邻纳米孔中心距为600nm下不同纳米孔径时器件的反射谱；

其中：41、纳米孔直径为300nm曲线；42、纳米孔直径为400nm曲线；43曲线、纳米孔直径为500nm曲线。

具体实施方式

下面结合附图作进一步描述：

实施例：

结合图1所示，一种用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述的红外探测器为复合层式结构，由下而上依次为基底11、底金属膜层12、中间半导体层13、顶层金属微纳米孔阵列层14。

上述方案中基底材质为硅/二氧化硅，二氧化硅厚度为100～300nm,硅的厚度为200～600μm，金属薄膜材质为金，厚度为100nm、中间半导体层材质为氧化锌，厚度为50nm、顶层金属纳米孔阵列层材质为金，厚度为40nm。作为探测器使用时还包括顶、底两金属膜层引出的电极导线101、以及由中间半导体层引出的电极导线102，所述导线分别作为探测器的输出端口。通过数值仿真计算得到，当顶层金属中的相邻两纳米孔的中心距为600nm、纳米孔直径为400nm时，其顶、底两金属层对入射光在1.4μm波长处均有明显的吸收峰(半高宽小于0.1μm)，两者加起来的光吸收率超过95％，两层金属对入射光的吸收总和曲线31、顶层金属微纳米孔阵列层对入射光的吸收曲线32、底层金属对入射光的吸收曲线33如附图3所示。当相邻两纳米孔的中心距固定为600nm、纳米孔直径变化时，可以得到反射谷(由于该器件在该波段的透射为零，反射谷对应吸收峰)明显移动的反射谱，纳米孔直径为300nm曲线41、纳米孔直径为400nm曲线42、纳米孔直径为500nm曲线43如附图4所示。借此光响应特性，相邻两纳米孔的中心距固定为600nm而纳米孔直径变化时可用于1.0～1.8μm波段范围内的不同窄带波的探测与分析。

本技术方案提出的基于杂化型等离子共振增强的红外探测器。利用金属微纳米孔阵列层/半导体薄膜/金属薄膜结构构筑基于金属吸收的热电子红外探测器。通过激发顶层金属微纳米孔阵列的局域等离子共振、底层金属薄膜的表面等离激元，以及将两者耦合起来形成的杂化型等离子共振来极大增加金属对入射光的吸收。并将上下两层金属吸收光产生的热载流子均注入到中间半导体层，从而得到可观的光响应度。通过较低成本地调控顶层微纳米孔的周期和直径、中间半导体层的厚度和材质(也即折射率)可以实现从近红外到中红外的可调光谱吸收。探测器的制备可以大面积、批量进行，从而使得整体成本较低。具有结构相对简单、加工较容易、光谱响应度较高、吸收波段调制较容易等特点。

Claims (6)

1.一种用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述的红外探测器为复合层式结构，由下而上依次为基底、底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层。

2.根据权利要求1所述的用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述顶层金属微纳米孔阵列层的厚度为20～40nm，微纳米孔阵列为六方排布，相邻两孔的中心距离为500～4000nm，孔径为相邻两孔中心距离的30％～90％。

3.根据权利要求2所述的用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述中间半导体层的厚度为30～80nm，底金属膜层的厚度为50～200nm。

4.根据权利要求3所述的用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述中间半导体层的材质包括：氧化钛TiO₂、氧化锌ZnO、氧化钨WO₃、氧化锡SnO₂、氧化铟In₂O₃、五氧化二钽Ta₂O₅。

5.根据权利要求1～4之一所述的用于制作红外探测器的复合结构，其特征在于：所述的底金属膜层、中间半导体层、顶层金属微纳米孔阵列层之间均以肖特基方式接触。

6.一种红外探测器，其特征在于：由权利要求1～4之一所述的用于制作红外探测器的复合结构制成；其中底金属膜层和顶层金属微纳米孔阵列层通过导线连接。