CN107478342A - 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 - Google Patents
一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107478342A CN107478342A CN201710579047.1A CN201710579047A CN107478342A CN 107478342 A CN107478342 A CN 107478342A CN 201710579047 A CN201710579047 A CN 201710579047A CN 107478342 A CN107478342 A CN 107478342A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium tantalate
- detector
- finished product
- silicon
- antenna
- 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
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 79
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 19
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 67
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 66
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 71
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 71
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 71
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 claims description 58
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 19
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 13
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 13
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 13
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 238000007687 exposure technique Methods 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 claims 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 25
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 24
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 18
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 11
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 11
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 10
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000005616 pyroelectricity Effects 0.000 description 6
- 241000790917 Dioxys <bee> Species 0.000 description 5
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910003978 SiClx Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 2
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 2
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012822 chemical development Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- 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
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
-
- 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
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
-
- 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
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J2005/208—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices superconductive
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法，属于热释电红外探测器领域。探测器包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑、下电极、钽酸锂晶片、上电极，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。本发明还提供了钽酸锂窄带探测器的制备方法，本发明采用超表面技术对传统的热释电探测器没有波长选择性的缺陷进行改进，在一定波长范围内能够实现对特定波长的检测，并且简化了红外探测器的制备流程。
Description
技术领域
本发明属于热释电红外探测器领域，涉及一种基于超表面结构的钽酸锂窄带探测器及制备方法。
背景技术
热红外探测与传感是一种有着广泛应用的关键技术。与价格昂贵的低温工作的光电探测***相比，热红外探测器有着更低的成本，更简单的工艺流程，但是由于热探测器只能对热响应，不具有波长选择性，不能够检测特定单一波长，灵敏度相较于光电探测器差，这在一定程度上限制了热红外探测器在更广泛领域上的使用。
近年来，超表面作为一种全新的电磁材料已经成为一个研究热点。超表面的电磁特性基本与其组分材料的性质无关，而与其内部的微结构有关。当入射光与这层微结构相互作用时，会产生表面等离激元，可以实现纳米尺寸下光场的聚焦和增强。借助这一性质，许多基于超表面的微纳光学设备被制作出来，比如完美吸波体，完美透镜，复折射率材料等。通过调整超表面的微结构特性参数，能够实现使探测效果最佳。
目前，还没有将热红外探测与传感技术与超表面技术结合在一起，以改进现有技术的缺陷。
发明内容
针对现有技术缺陷和改进需求，本申请提供了一种基于超表面结构的钽酸锂热释电窄带探测器及其制备方法，目的在于，采用超表面技术对传统的热释电探测器没有波长选择性的缺陷进行改进，在一定波长范围内能够实现对特定波长的检测，并且简化了红外探测器的制备流程。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钽酸锂窄带探测器，其包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑、下电极、钽酸锂晶片、上电极，电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。
在本发明的一个实施例中，所述天线包括十字金天线或者圆盘金天线。
在本发明的一个实施例中，所述介质层包括介质层硅或者介质层二氧化硅。
在本发明的一个实施例中，电磁超表面结构包括两种，一种是金背板+介质层硅+十字金天线，另一种是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。
在本发明的一个实施例中，硅底座支撑包括四个四分之一硅柱和硅底座，通过四个四分之一硅柱将电磁超表面结构以及探测器本体的下电极、钽酸锂晶片固定在硅基底上。四分之一硅柱是指横截面为四分之一圆的柱状体。
在本发明的一个实施例中，所述电磁超表面结构中介质层硅或者介质层二氧化硅的厚度为50nm～500nm。
在本发明的一个实施例中，所述电磁超表面结构中十字金天线或者圆盘金天线的厚度为40nm～70nm。
在本发明的一个实施例中，所述钽酸锂晶片的厚度为70μm～80μm，优选为75μm。
按照本发明的第二个方面，提供了一种制备如上所述钽酸锂窄带探测器的方法，其特征在，其包括如下步骤：
S1：选取钽酸锂晶片衬底，使用电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，获得第一半成品；
S2：在上述第一半成品上表面使用磁控溅射工艺或者化学气相沉积工艺生长一层硅或者二氧化硅，获得第二半成品；
S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶，获得第三半成品；
S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的十字金天线版图或者圆盘天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有十字或者圆盘图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；
S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，留下具有的十字或者圆盘结构的光刻胶层，获得第四半成品；
S6：在第四半成品上，通过电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺生长一层设定厚度的金，获得金天线；
S7：利用丙酮对生长金天线之后的样品进行剥离处理，以清除多余光刻胶,获得第五半成品；
S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。
在本发明的一个实施例中，所述电磁超表面结构尺寸可调，通过调整十字金天线的棒长或者圆盘天线的半径可实现不同波段的高吸收。例如，十字金天线棒长为500nm，棒宽为100nm，单元结构周期为700nm，介质层硅厚度为100nm,十字金天线厚度为50nm,吸收波长为4.18μm；改变十字金天线棒长为600nm,吸收波长为5.03μm；圆盘半径为600nm，二氧化硅的厚度为100nm，金圆盘厚度为50nm,单元结构周期为2μm，吸收波长为3.94μm，当圆盘半径改为700nm时，吸收波长为4.49μm。改变周期和介质层的厚度，吸收峰幅值会相应变化。
本发明公开的一种基于十字和圆盘超表面结构的钽酸锂窄带探测器制备方法包括如下步骤：选取钽酸锂晶片，通过电子束蒸发设备或者磁控溅射设备在上下表面各制备一层设定厚度的金；通过磁控溅射设备或者化学气相沉积设备制备一层设定厚度的硅或者二氧化硅；旋涂PMMA曝光胶；设计十字交叉结构或者圆盘结构阵列，精确控制结构的尺寸参数，通过电子束曝光设备将所设计的结构转移至PMMA曝光胶；显影、定影；通过电子束蒸设备或者磁控溅射设备生长一层设定厚度的金；去胶处理；将制备的探测器用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装。此时，在形成有上下电极的热释电材料钽酸锂晶片上面长了一个红外吸收体，这个红外吸收体既可以是金背板+介质层硅+十字金天线，也可以是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。
本发明利用红外吸收体对匹配波长光的谐振作用，实现对特定波长光的高吸收，吸收的电磁能量转换为焦耳热传递给热释电钽酸锂晶片，然后通过上下电极读出电信号，实现对设定波长光的探测。
本发明通过调节红外吸收体的几何参数来吸收不同波长的红外光，实现对不同波长红外光的探测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
传统的基于分立式滤光片的选择性热探测器，其热探测器对宽波段的光热都有响应，其本身对波长不具有选择性，需要在探测器前面组装上滤光片才能实现波长的选择性，这增加了探测器的体积，同时使探测器更加复杂。
本发明提出的基于超表面的钽酸锂窄带探测器能够实现对宽波段范围内的某个窄带波长光的热探测，这是因为，本申请中的探测器是将具有波长选择性的红外吸收体集成在热释电材料上面制作而成。该红外吸收体在功能上相当于滤光片，便于集成在热材料上，同时对光有近场增强作用，吸收效率高，其相应的探测器灵敏度高，体积小，加工简单，同时改变红外吸收体的相关参数，能够实现对不同波长的热检测，在功能上用一种热探测器代替了传统的热探测器组合上滤光片，简化了红外热探测器工艺流程，使器件成本减低，集成度变高。
本发明的制备方法设计巧妙、工艺简单、可操作性强，制备的探测器响应迅速，以上优点有利于该技术的推广和普及。
附图说明
图1是本发明实施例中基于超表面十字天线的钽酸锂窄带探测器整体结构图；
图2是本发明实施例中基于超表面圆盘天线的钽酸锂窄带探测器整体结构图；
图3是本发明实施例中电子束曝光工艺版图十字天线示意图；
图4是本发明实施例中电子束曝光工艺版图圆盘天线示意图；
图5是本发明中实施例1的红外吸收光谱图；
图6是本发明中实施例2的红外吸收光谱图；
图7是本发明中实施例3的红外吸收光谱图；
图8是本发明中实施例4的红外吸收光谱图；
图9是本发明中实施例5的红外吸收光谱图；
图10是本发明中实施例6的红外吸收光谱图；
图11是本发明中实施例7的红外吸收光谱图；
图12是本发明中实施例8的红外吸收光谱图；
图13是本发明中实施例9的红外吸收光谱图；
图14是本发明中实施例10的红外吸收光谱图；
图15是本发明实施例中钽酸锂热释电材料在0.98mW功率单一波长光源照射下的温度分布图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1硅底座支撑、2下电极、3钽酸锂晶片、4上电极、5介质硅、6介质二氧化硅、7十字金天线、8圆盘金天线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了更好地理解本发明的所述内容，有必要对本发明的原理进行阐述。在本发明中钽酸锂窄带探测器结构中，十字金天线阵列或者圆盘天线阵列与入射光相互作用，产生表面等离激元，在纳米尺寸下对光场聚焦和增强，使特定波长红外光产生共振，这个共振的振荡激发金属结构使自由载流子吸收电磁能量造成了光的衰减，衰减的电磁能量最终转换成焦耳热，然后金背板将生成的焦耳热传递给钽酸锂热释电材料。当钽酸锂晶体受到调制的红外辐射时，辐射热流被钽酸锂晶体吸收使其内部温度发生变化，温度的变化使钽酸锂晶体的电偶极距发生变化，即Ta5+和Li+相对于中心位置的偏移量发生变化，为保持表面电中性，钽酸锂晶体表面会释放吸附的电荷，分别在上下表面释放正负电荷，然后由上下电极传导到滤波放大电路，读出电信号，实现对设定波长的探测。当改变超表面的几何尺寸，吸收波长会发生变化，则可以实现宽谱段的窄带波长探测。
实施例1：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质硅5、十字金天线7，如图1所示。其中，十字金天线的棒长为350nm，棒宽为100nm,十字金天线厚度为50nm；单元结构周期为600nm；中间介质层硅的厚度为50nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图5可知，该结构的吸收峰值波长位于3.24微米处。
实施例2：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质硅5、十字金天线7，如图1所示。其中，十字金天线的棒长为500nm，棒宽为100nm,十字金天线厚度为50nm；单元结构周期为700nm；中间介质层硅的厚度为100nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图6可知，该结构的吸收峰值波长位于4.18微米处。
实施例3：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质硅5、十字金天线7，如图1所示。其中，十字金天线的棒长为750nm，棒宽为100nm,十字金天线厚度为50nm；单元结构周期为1200nm；中间介质层硅的厚度为200nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图7可知，该结构的吸收峰值波长位于5.8微米处。
实施例4：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质硅5、十字金天线7，如图1所示。其中十字金天线的棒长为950nm，棒宽为100nm,十字金天线厚度为50nm；单元结构周期为1100nm；中间介质层硅的厚度为200nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图8可知，该结构的吸收峰值波长位于7.45微米处。
实施例5：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质硅5、十字金天线7，如图1所示。其中十字金天线的棒长为1500nm，棒宽为100nm,十字金天线厚度为50nm；单元结构周期为1900nm；中间介质层硅的厚度为500nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图9可知，该结构的吸收峰值波长位于11.08微米处。
实施例6：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质二氧化硅6、圆盘金天线8，如图2所示。其中圆盘天线的直径为726nm，圆盘天线厚度为50nm；单元结构周期为2000nm；中间介质层二氧化硅的厚度为80nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图10可知，该结构的吸收峰值波长位于2.64微米处。
实施例7：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质二氧化硅6、圆盘金天线8，如图2所示。其中，圆盘天线的直径为940nm，圆盘天线厚度为50nm；单元结构周期为2000nm；中间介质层二氧化硅的厚度为80nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图11可知，该结构的吸收峰值波长位于3.33微米处。
实施例8：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质二氧化硅6、圆盘金天线8，如图2所示。其中，圆盘天线的直径为1290nm，圆盘天线厚度为50nm；单元结构周期为2000nm；中间介质层二氧化硅的厚度为80nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图12可知，该结构的吸收峰值波长位于4.26微米处。
实施例9：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质二氧化硅6、圆盘金天线8，如图2所示。其中，圆盘天线的直径为2060nm，圆盘天线厚度为50nm；单元结构周期为3000nm；中间介质层二氧化硅的厚度为100nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图13可知，该结构的吸收峰值波长位于5.73微米处。
实施例10：
一种基于超表面的钽酸锂窄带探测器，其每个结构单元包括从上至下的硅底座和支撑1、下金电极2、钽酸锂晶片3、上电极4、介质二氧化硅6、圆盘金天线8，如图2所示。其中，圆盘天线的直径为3400nm，圆盘天线厚度为50nm；单元结构周期为4000nm；中间介质层二氧化硅的厚度为110nm；金背板的厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图14可知，该结构的吸收峰值波长位于7.46微米处。
一个阵列的尺寸一般为1mm左右，一个构成阵列的最基本的几何单元的尺寸为2um左右，所以一个阵列在平面方向上是将一个最基本的几何单元进行重复几百次，单元结构周期也就是构成阵列的最基本的几何单元的尺寸。
本发明中基于电磁超表面的钽酸锂窄带探测器制作方法如下：
首先，选取钽酸锂晶片衬底。具体的，第一步用丙酮溶液超声波清洁3分钟；第二步用无水乙醇溶液超声波清洁3分钟；最后在去离子水中用超声波清洁2分钟，将表面清洗干净以便于后续蒸镀。
接着，用电子束蒸发镀膜机在洁净的衬底上下表面分别蒸镀100nm厚的金。再用磁控溅射设备或化学气相沉积设备生长一层100nm厚的硅介质层或者二氧化硅介质层。
然后，设计一定周期性结构的十字或者圆盘的电磁超表面天线阵列，并制成版图。先在衬底上均匀旋涂一层PMMA曝光胶，旋涂时间60秒，匀胶机转速2000转/分钟，旋涂PMMA胶的厚度约为400nm。
图3是本发明实施例中电子束曝光工艺版图十字天线示意图；图4是本发明实施例中电子束曝光工艺版图圆盘天线示意图，其中，图3中和图4中，a均为曝光部分，b均为非曝光部分。
再接着，在170℃下烘烤3.5分钟。再使用电子束曝光设备将版图的图案转移至已经旋涂PMMA曝光胶的衬底上，曝光电流3nA。通过化学显影方式，对已曝光的PMMA胶进行显影，定影，然后以PMMA胶作为掩膜进行电子束蒸发镀膜，蒸镀50nm厚的金。
随后，通过化学方法去掉PMMA胶，此时样片表面形成十字金天线阵列。
最后，将制备的探测器用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装。
为了详细说明本发明中基于电磁超表面的钽酸锂窄带探测器制作方法，下面进一步结合以下具体的实施例详细说明。
实施例11
本实施例提出的基于电磁超表面的钽酸锂窄带探测器制作方法包括如下步骤：
S1：选取75um厚钽酸锂晶片衬底，使用电子束蒸发工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，获得第一半成品，实际工艺过程中，需要用导电胶将第一半成品粘附在圆电子束蒸发设备的圆盘上,电子束蒸发速率为6nm/min；
S2：在上述第一半成品上表面使用化学气相沉积工艺生长一层二氧化硅，化学气相沉积二氧化硅的速率为50nm/min，获得第二半成品；
S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶，光刻胶为PMMA正胶，型号为AR-P679.04，旋涂速率为2000rpm，后经过电热板加热170度烘3分半钟，获得第三半成品；
S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的圆盘天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有圆盘图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；
S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，先后在显影液A，B中浸泡，留下具有的圆盘结构的光刻胶层，获得第四半成品；
S6：在第四半成品上，通过电子束蒸发工艺生长一层50nm厚度的金，获得金天线；
S7：利用丙酮溶液对生长金天线之后的样品进行剥离处理，可进行一定的加热处理,以清除多余光刻胶,获得第五半成品；
S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。
实施例12
本实施例提出的基于电磁超表面的钽酸锂窄带探测器制作方法包括如下步骤：
S1：选取75um厚钽酸锂晶片衬底，使用磁控溅射工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，溅射速率为1nm/min，获得第一半成品；
S2：在上述第一半成品上表面使用磁控溅射工艺生长一层硅，磁控溅射硅的速率为7.5nm/min,获得第二半成品；
S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶,光刻胶为PMMA正胶,型号为AR-P679.04，转速为2000rmp,后经过电热板加热170度烘3分半钟，获得第三半成品；
S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的十字金天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有十字图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；
S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，先后在显影液A，B中浸泡，留下具有的十字结构的光刻胶层，获得第四半成品；
S6：在第四半成品上，通过磁控溅射工艺生长一层50nm厚度的金，获得金天线；
S7：利用丙酮对生长金天线之后的样品进行剥离处理,可以进行一定的加热处理，以清除多余光刻胶,获得第五半成品；
S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。
实施例13
本实施例提出的基于电磁超表面的钽酸锂窄带探测器制作方法包括如下步骤：
S1：选取75um厚钽酸锂晶片衬底，使用电子束蒸发工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，电子束蒸发速率为6nm/min,获得第一半成品；
S2：在上述第一半成品上表面使用化学气相沉积工艺生长一层二氧化硅，沉积速率为50nm/min,获得第二半成品；
S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶，光刻胶为PMMA正胶,型号为AR-P679.04，转速为2000rmp,后经过电热板加热170度烘3分半钟，获得第三半成品；
S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的十字金天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有十字图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；
S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，先后在显影液A，B中浸泡，留下具有的十字结构的光刻胶层，获得第四半成品；
S6：在第四半成品上，通过电子束蒸发工艺生长一层50nm厚度的金，获得金天线；
S7：利用丙酮对生长金天线之后的样品进行剥离处理，可进行一定的加热处理,以清除多余光刻胶,获得第五半成品；
S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。
图15是本发明实施例中钽酸锂热释电材料在0.98mW功率单一波长光源照射下的温度分布图，其中，钽酸锂热释电材料边长为1mm，黑色曲线数据是在钽酸锂上表面中间取一条横截线，取这条横截线上的位置和稳态温度分布信息。由图可知，在材料中间位置的温度最高，温升为0.215度，升温较明显。
本发明方法制备的探测器使用电磁超表面十字光学天线阵列和钽酸锂材料作为主要结构，制备工艺简单、成本低。同时，电磁超表面十字光学天线阵列结构具有窄带滤波特性，并且波长可调，便于集成化应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，其包括探测器本体和电磁超表面结构，电磁超表面结构设置在探测器本体上，其中，
探测器本体包括从下至上设置的硅底座支撑(1)、下电极(2)、钽酸锂晶片(3)、上电极(4)，
电磁超表面结构包括自下而上设置金背板、介质层以及天线，
其中，金背板与上电极为同一物体，两者共用。
2.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述天线包括十字金天线(7)或者圆盘金天线(8)。
3.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述介质层包括介质层硅(5)或者介质层二氧化硅(6)。
4.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，电磁超表面结构包括两种，一种是金背板+介质层硅+十字金天线，另一种是金背板+介质层二氧化硅+圆盘金天线。
5.如权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，硅底座支撑包括四个四分之一硅柱和硅底座，通过四个四分之一硅柱将电磁超表面结构以及探测器本体的下电极(2)、钽酸锂晶片(3)固定在硅基底上，
四分之一硅柱是指横截面为四分之一圆的柱状体。
6.根据权利要求3所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述电磁超表面结构中介质层硅(5)或者介质层二氧化硅(6)的厚度为50nm～500nm。
7.根据权利要求2所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述电磁超表面结构中十字金天线(7)或者圆盘金天线(8)的厚度为40nm～70nm。
8.根据权利要求1所述的一种钽酸锂窄带探测器，其特征在于，所述钽酸锂晶片(2)的厚度为70μm～80μm，优选为75μm。
9.一种制备如权利要求1-8之一所述钽酸锂窄带探测器的方法，其特征在，其包括如下步骤：
S1：选取钽酸锂晶片衬底，使用电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺在钽酸锂晶片上下方各生长一层金，获得第一半成品；
S2：在上述第一半成品上表面使用磁控溅射工艺或者化学气相沉积工艺生长一层硅或者二氧化硅，获得第二半成品；
S3：在第二半成品上表面旋涂光刻胶，获得第三半成品；
S4：通过电子束曝光工艺，利用设计好的十字金天线版图或者圆盘天线版图对第三半成品的光刻胶面曝光，形成带有十字或者圆盘图案的光刻胶层，从而将图形转移到第三半成品的光刻胶上；
S5：对曝光后第三半成品执行显影处理，留下具有的十字或者圆盘结构的光刻胶层，获得第四半成品；
S6：在第四半成品上，通过电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺生长一层设定厚度的金，获得金天线；
S7：利用丙酮对生长金天线之后的样品进行剥离处理，以清除多余光刻胶,获得第五半成品；
S8：将第五半成品用四个四分之一硅柱固定在硅底座上，并进行封装，至此获得钽酸锂窄带探测器。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过调整十字金天线的棒长或者圆盘天线的半径可实现探测器对不同波段波长的吸收。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710579047.1A CN107478342B (zh) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710579047.1A CN107478342B (zh) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107478342A true CN107478342A (zh) | 2017-12-15 |
| CN107478342B CN107478342B (zh) | 2019-09-13 |
Family
ID=60594893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710579047.1A Active CN107478342B (zh) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107478342B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108267482A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-07-10 | 华中科技大学 | 一种钽酸锂窄带气体探测器及其制备方法 |
| CN108831988A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-16 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器 |
| CN112054069A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-08 | 东南大学 | 一种基于圆盘超表面结构窄带滤光的集成化光电探测器件 |
| CN113465736A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-01 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | 片上集成红外探测器 |
| CN114199383A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 基于等离激元复合微腔的热电堆窄带探测器及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105258806A (zh) * | 2015-11-02 | 2016-01-20 | 电子科技大学 | 热释电红外探测单元及制造方法及其热释电红外探测器 |
| CN106197668A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-12-07 | 华中科技大学 | 一种窄带红外探测芯片及其制作方法 |
-
2017
- 2017-07-17 CN CN201710579047.1A patent/CN107478342B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105258806A (zh) * | 2015-11-02 | 2016-01-20 | 电子科技大学 | 热释电红外探测单元及制造方法及其热释电红外探测器 |
| CN106197668A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-12-07 | 华中科技大学 | 一种窄带红外探测芯片及其制作方法 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108267482A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-07-10 | 华中科技大学 | 一种钽酸锂窄带气体探测器及其制备方法 |
| CN108831988A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-16 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器 |
| CN112054069A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-08 | 东南大学 | 一种基于圆盘超表面结构窄带滤光的集成化光电探测器件 |
| CN113465736A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-10-01 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | 片上集成红外探测器 |
| CN113465736B (zh) * | 2021-06-30 | 2023-08-11 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | 片上集成红外探测器 |
| CN114199383A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 基于等离激元复合微腔的热电堆窄带探测器及其制备方法 |
| CN114199383B (zh) * | 2021-11-24 | 2023-11-14 | 华中科技大学 | 基于等离激元复合微腔的热电堆窄带探测器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107478342B (zh) | 2019-09-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107478342B (zh) | 一种钽酸锂窄带探测器及其制备方法 | |
| CN102529211B (zh) | 一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法 | |
| CN103606585B (zh) | 一种高吸收结构的太赫兹室温探测器及制备方法 | |
| CN104143580B (zh) | 一种太赫兹波探测器及其制备方法 | |
| CN104075811B (zh) | 高TCR吸收敏感复合薄膜的THz探测结构及制备方法 | |
| CN107275796B (zh) | 一种太赫兹波吸波体、制备方法及应用 | |
| CN107732017B (zh) | 一种等离激元结构衬底及其制备和应用 | |
| CN106950631A (zh) | 一种基于介质微柱阵列的红外吸波体及制备方法 | |
| CN108565301A (zh) | 基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备方法 | |
| CN110332998A (zh) | 超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法 | |
| CN104795620B (zh) | 一种太赫兹波导无源器件的制造方法 | |
| CN103199097A (zh) | 一种像元结构及基于像元结构的非致冷红外焦平面探测器 | |
| CN109887944B (zh) | 具有多功能窗口的全天时成像探测器及其制备方法 | |
| CN107193160A (zh) | 一种胆甾相液晶装置、制备方法和光束控制*** | |
| CN107121715A (zh) | 一种基于耦合米氏共振的大面积宽入射角超表面完全吸收体及其制备方法 | |
| CN106115604A (zh) | 基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法 | |
| CN108358157B (zh) | 一种超材料微桥结构及其制备方法 | |
| CN104090322B (zh) | 一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口及制备方法 | |
| CN104078526B (zh) | 集成红外屏蔽结构的太赫兹波室温探测单元及制备方法 | |
| CN110398793A (zh) | 一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器及制作方法 | |
| CN104953223A (zh) | 一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法 | |
| CN105811061B (zh) | 一种桥腿分离天线耦合微桥结构及其制备方法 | |
| CN110797419B (zh) | 一种叉指电极结构偏振相关窄带探测器、其制备和应用 | |
| CN108831988A (zh) | 一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器 | |
| CN108415116A (zh) | 一种强吸收圆二色性的单层三折孔纳米薄膜及其制备方法 |
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 |