CN109786494B - 一种微腔结构紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

一种微腔结构紫外探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微腔结构紫外探测器及其制备方法，其中紫外探测器的制备过程包括衬底清洗、籽晶层生长、微米线生长、单根宽禁带半导体微/纳米线上下两侧金属薄膜、金属纳米粒子的制备以及探测器金属电极层的制备工艺。本发明的特点是新开发了一种特殊结构的高性能、小体积的紫外探测器，其探测截止波长小于380nm，解决了紫外探测器尺寸的减小和光电转的提高难以同时实现的矛盾问题。此外，此种微腔结构紫外探测器结构简单、易于耦合焦平面读出电路，有益于下一代高密度集成光电回路的开发。

Description

一种微腔结构紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种复合Fabry-Perot微腔结构紫外探测器及其制备方法。
技术背景
紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术发展起来的又一项重要的军民两用光电探测器技术。目前，现代化的紫外探测技术是一个集紫外探测器、光学设计、微机械加工和集成电路等多学科为一体的精密探测***，由于其具有背景噪声低、隐蔽性好等诸多优点已经在导弹尾焰探测、臭氧层空洞监测、医学检测和火焰探测等诸多领域发挥了巨大的作用。
目前，随着半导体器件的集成度按摩尔定律指数性提高，光电探测器的尺寸也在不断减小，但是有源区面积的减小会降低器件的光电转化效率，因此，不利于微弱信号的检测及其后级运算电路、读出电路的设计。虽然采用金属表面等离子体技术是实现高光电转化率、小体积光电探测器的一个有效途径(MRS Bull.2012,37,728–738)。但是由于金属表面等离极化激元和紫外辐射的能量匹配以及紫外波段能量损耗严重等问题，这项技术目前大多应用于可见和红外波段。
针对上述技术难题，本发明提出一种杂化表面等离子体微腔结构紫外探测器，此种复合微腔结构可以集成光学空间层对电场的干涉调制和表面等离激元前向散射的双重优势,从而使紫外辐射主要光场强度的极值分布在有源区，解决了紫外探测器尺寸的减小和器件光电转化效率的提高难以同时实现的矛盾。此外，此种器件结构简单，易于耦合焦平面读出电路，有益于下一代高密度集成光电回路的开发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种杂化表面等离子体Fabry-Perot微腔结构紫外探测器及其制备方法，最终获得工作波长小于380nm、具有高性能、小体积的紫外光电探测器。
本发明的目的一是提供一种微腔结构紫外探测器如附图1所示，包括：金属薄膜反射层1，宽禁带半导体微/纳米线2，金属电极层3，金属纳米粒子4。
本发明的目的二是提供一种微腔结构紫外探测器的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，如附图2所示，包括如下步骤：
①在生长籽晶层之前在硫酸、盐酸体积比为3：1的混合液中加热5-30分钟来去除衬底表面附着的无机物(蓝宝石之外衬底无需此操作)，衬底依次放入丙酮、乙醇与去离子水中各自超声清洗5-30分钟去除衬底表面附着的有机物，清洗完毕后用氮气吹干，并放入氧等离子清洗机中处理5分钟，待处理完成，拿出后备用。
②在处理过后的衬底上制备一层籽晶层。
③将质量比为1:1的高纯宽禁带半导体粉体与石墨粉充分混合、研磨2个小时以上。将上述混合粉末置于陶瓷舟中间位置，并将带有籽晶层的衬底放在混合粉末的正上方，之后再将陶瓷舟水平放至石英管中，将石英管放至水平高温管式炉的生长室内生长四边形宽禁带半导体微/纳米线2。
④生长完具有Fabry-Perot微腔结构的四边形宽禁带半导体微/纳米线之后，在单根四边形宽禁带半导体微/纳米线沿轴线方向的下侧制备金属薄膜1。
⑤在金属薄膜材料对侧(即四边形宽禁带半导体微/纳米线上侧)制备吸收峰位于紫外波段的金属纳米粒子4，其形貌包括球体、椭球体、三角柱其中一种以及上述结构组成的不规则形貌。
⑥最后，在上下两侧带有金属薄膜及金属纳米粒子的单根四边形宽禁带半导体微/纳米线两端制备金属电极层3。
所述步骤②的宽禁带半导体籽晶层的制备可由化学方合成法、磁控溅射法中的一种或者两种方法来实现。
所述步骤③的四边形宽禁带半导体微/纳米线生长环境为常压，生长过程中的载气为高纯氩气和高纯氧气。单根四边形宽禁带半导体微/纳米线几何参数可由载气流量、生长温度以及生长时间来调节。最终所制备的宽禁带半导体微/纳米线为MgO、Ga2O3、ZnO、SnO2、TiO2、NiO中的一种或几种组成的核壳结构。
所述步骤④⑥的金属薄膜及金属电极的制备方法可由真空热蒸发、磁控溅射、离子溅射等方法来实现。
所述步骤⑤的金属纳米结构的制备方法可由真空热蒸发、磁控溅射、离子溅射、退火、电子束刻蚀、离子束刻蚀等一步或者多步过程来实现。
所述步骤④⑤的金属薄膜及金属纳米粒子的金属材料为Al、Ag、Pt、Ru、Rn、Pd等材料中的一种或几种混合结构。
所述步骤⑥的金属电极层为Ti、Al、Ni、Pt、Au、Ag和In中的单层金属或金属复合层。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、按照上述方法制备得到的微腔探测器是一种全新的紫外光电探测器结构(附图1)，此种结构可将杂化金属表面等离激元和光电探测器通过Fabry-Perot微腔集成在一起，解决了金属表面等离子体技术在紫外波段增强效果不好的难题，与此同时，该结构可以在减小器件尺寸的同时提高器件的量子效率，易于耦合焦平面读出电路，有益于下一代高密度集成光电回路的开发。其工作原理(附图3)简述如下：当外界光场入射到杂化表面等离子Fabry-Perot微腔上表面时，由于金属纳米结构可以克服光学衍射极限将自由空间的紫外辐射光场限制在纳米尺度，之后由于Fabry-Perot微腔及下侧金属薄膜反射作用，使自由光场的紫外辐射以杂化表面等离子体驻波形式限制在宽禁带半导体微/纳米线中，即光电探测器的有源区，从而极大的增加了光生载流子的产生和收集几率。
2、本发明提出的微腔结构探测器具有很好的普适性，通过不同有源区不同禁带宽度半导体材料如MgO、Ga2O3、ZnO、SnO2、TiO2、NiO等的选取，其响应截止波长范围可覆盖UVA-UVC波段，在诸多领域具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明杂化表面等离子体Fabry-Perot微腔结构紫外探测器的结构示意图，图中标号：1-金属反射层，2-宽禁带半导体微/纳米线，3-金属电极层，4-金属纳米粒子；
图2为本发明杂化表面等离子体Fabry-Perot微腔结构紫外探测器的制备流程图，图中：①衬底清洗，②籽晶层制备，③制备宽禁带半导体微/纳米线，④单根四边形宽禁带半导体微/纳米线沿轴线方向下侧制备金属薄膜的制备，⑤在单根四边形宽禁带半导体微/纳米线沿着轴线方向上侧金属纳米结构的制备，⑥制备金属电极层；
图3a为杂化表面等离子Fabry-Perot微腔工作示意图，图中标号：1-入射光，2-金属纳米结构，3-在Fabry-Perot微腔内形成的驻波，4-宽禁带半导体微/纳米结构，5-金属薄膜反射层；图3b为采用时域有限差分法模拟杂化表面等离子Fabry-Perot微腔内的光场限域结果。
具体实施方式
下面结合附图2对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施例按照以下步骤制备杂化表面等离子体Fabry-Perot微腔结构紫外探测器：
衬底清洗。在生长籽晶层之前在硫酸、盐酸体积比为3：1的混合液中加热5-30分钟来去除衬底表面附着的无机物(蓝宝石之外衬底无需此操作)，衬底依次放入丙酮、乙醇与去离子水中各自超声清洗5-30分钟去除衬底表面附着的有机物，清洗完毕后用氮气吹干，并放入氧等离子清洗机中处理5分钟，待处理完成，拿出后备用。
ZnO籽晶层制备。将不含结晶水的乙酸锌(99.99％)溶于优级纯乙醇中，配置成浓度为30mg/ml的乙酸锌乙醇溶液；随后将乙酸锌乙醇溶液旋涂在处理好的衬底表面，然后放入管式炉，在空气气氛下400℃烧结15分钟，如此往复2～6次，在基底表面获得ZnO纳米晶。
宽禁带半导体微/纳米线生长。将质量比为1:1的高纯ZnO粉体与石墨粉充分混合、研磨2个小时以上。将上述混合粉末置于陶瓷舟中间位置，并将带有ZnO纳米晶的衬底放在混合粉末的正上方，之后再将陶瓷舟水平放至石英管中，将石英管放至水平高温管式炉的生长室内生长，生长环境为常压，生长过程中的载气为高纯氩气和高纯氧气，所获得的单根四边形ZnO微/纳米线的截面宽度为10nm～10μm，截面厚度为10nm～10μm，长度为1mm-1cm。具体尺寸可由生长温度和生长时间的综合调控来决定。
金属薄膜的制备。生长完具有Fabry-Perot微腔结构的四边形宽禁带半导体微/纳米线之后，在单根四边形宽禁带半导体微/纳米线的下侧通过磁控溅射法制备5nm～2μm金属薄膜，所制备的金属薄膜包括权利要求3所提及的各种金属，根据所需条件不同进行选择，其厚度可由溅射时间决定。
金属纳米结构的制备。在金属薄膜材料对侧(即四边形宽禁带半导体微/纳米线上侧)通过真空热蒸发、磁控溅射或者离子溅射和退火2步法制备吸收峰位于紫外波段的金属纳米结构，其形貌包括球体、椭球体、三角柱其中一种以及上述结构组成的不规则形貌，所制备的金属纳米结构包括权利要求4所提及的各种金属，根据所需条件不同进行选择，其特征尺寸可由溅射电流大小，溅射时间以及退火温度来决定。
金属电极的制备。在上下两侧带有Al薄膜及Al纳米粒子的单根四边形宽禁带半导体微/纳米线两端通过磁控溅射法或者热蒸发方法制备金属电极，所制备的电极包括权利要求5所提及的各种电极，根据所需接触的条件不同进行选择。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中步骤2)用SnCl4·5H2O晶体(分子式量为350.6)配制好0.1g/ml的溶液，超声2～3分钟，使其混合均匀；用滴管拾取刚配好的SnCl4溶液，滴在洗好的硅片上，待硅片上铺满SnCl4溶液，进行烘干，然后放入马弗炉烘箱中在500℃下退火2小时，获得SnO2籽晶。与此同时，将质量比1:1的高纯SnO2粉体与石墨粉充分混合、研磨2个小时以上。将上述混合粉末置于陶瓷舟中间位置，并将带有SnO2籽晶的硅基底放在混合粉末的正上方，再将陶瓷舟水平放至石英管中，将石英管放至水平高温管式炉的生长室内在常压下生长，生长环境为常压，生长过程中的载气为高纯氩气和高纯氧气，所获得的单根四边形SnO2微/纳米线的截面宽度为10nm～10μm，截面厚度为10nm～10μm，长度为1mm-1cm。具体尺寸可由生长温度和生长时间的综合调控来决定。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：本实施例中步骤2)将洗好的衬底放入磁控溅射设备的生长室内，溅射籽晶薄膜所用的靶材为ZnO陶瓷靶(99.999％)，溅射射频源功率调至130W，生长室中在溅射时持续通入氧气(10SCCM)和氩气(30SCCM)。生长室真空度保持为1Pa，基底转速为20转/min，基底温度为400℃，生长时间为0.5-1.5个小时，获得ZnO籽晶。与此同时，将质量比1：0.1：1的高纯ZnO粉(99.999％)、Ga2O3粉(99.99％)和石墨粉充分混合、研磨2个小时以上。将上述混合粉末置于陶瓷舟中间位置，并将带有ZnO籽晶的衬底放在混合粉末的正上方，再将陶瓷舟水平放至石英管中，将石英管放至水平高温管式炉的生长室内在常压下生长，生长环境为常压，生长过程中的载气为高纯氩气和高纯氧气，所获得的ZnO-Ga2O3单根四边形核壳结构微/纳米线的截面宽度为10nm～10μm，截面厚度为10nm～10μm，长度为1mm-1cm。具体尺寸可由生长温度和生长时间的综合调控来决定。
上述实施例仅为本发明的最佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡是依据本发明所做出的均等变化都为本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种微腔结构紫外探测器，其特征在于，包括：金属薄膜，宽禁带半导体微/纳米线，金属纳米粒子以及器件两端的金属电极层；采用四边形宽禁带半导体微/纳米线形成Fabry-perot微腔结构并在Fabry-perot微腔结构的上表面形成金属纳米粒子以及在Fabry-perot微腔结构的下表面形成金属薄膜，由此形成复合微腔结构；其中金属薄膜位于四边形宽禁带半导体微/纳米线底端，金属纳米粒子位于四边形宽禁带半导体微/纳米线顶端，金属电极层位于四边形宽禁带半导体微/纳米线顶端两侧，并且与金属纳米粒子无接触；金属薄膜的厚度为5nm～2μm，单根四边形宽禁带半导体微/纳米线的截面宽度为10nm～10μm，截面厚度为10nm～10μm，四边形宽禁带半导体微/纳米线的长度为1mm-1cm，金属纳米粒子的特征尺寸范围为10～300nm，相邻金属纳米粒子之间的间距为5～100nm，金属电极层的厚度为30～500nm。
2.根据权利要求1所述的微腔结构紫外探测器，其特征在于所述宽禁带半导体微/纳米线为MgO、Ga2O3、ZnO、SnO2、TiO2、NiO中的一种或几种核壳结构。
3.根据权利要求1所述的微腔结构紫外探测器，其特征在于所述金属薄膜的材料为适用于紫外波段的Al、Ag、Pt、Ru、Rn、Pd中的一种或者几种复合结构。
4.根据权利要求1所述的微腔结构紫外探测器，其特征在于所述金属纳米粒子为吸收峰位于紫外波段的Al、Ag、Pt、Ru、Rn、Pd材料的一种或多种复合非对称结构，其形貌包括球体、椭球体、三角柱以及上述结构组成的规则及不规则形貌。
5.根据权利要求1所述的微腔结构紫外探测器，其特征在于所述金属电极层为Ti、Al、Ni、Pt、Au、Ag和In中的单层金属或金属复合层。
6.根据权利要求1所述的微腔结构紫外探测器，其特征在于所述金属电极层的上面蒸镀一层10～500nm厚的Au层。
7.一种如权利要求书1-6任一项所述的微腔结构紫外探测器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
①衬底清洗，生长籽晶层之前在硫酸、盐酸体积比为3：1的混合液中加热5-30分钟来去除衬底表面附着的无机物，蓝宝石之外衬底无需此操作，衬底依次放入丙酮、乙醇与去离子水中各自超声清洗5-30分钟去除衬底表面附着的有机物，清洗完毕后用氮气吹干，并放入氧等离子清洗机中处理5分钟，待处理完成，拿出后备用；
②籽晶层制备，根据所选材料不同，通过磁控溅射或者化学合成法制备相应的籽晶层；
③宽禁带半导体微/纳米线生长，将质量比为1:1的高纯宽禁带半导体粉体与石墨粉充分混合、研磨2个小时以上，将混合粉末置于陶瓷舟中间位置，并将带有籽晶层的衬底放在混合粉末的正上方，之后再将陶瓷舟水平放至石英管中，将石英管放至水平高温管式炉的生长室内生长，生长环境为常压，生长过程中的载气为高纯氩气和高纯氧气；
④金属薄膜的制备，生长完具有Fabry-Perot微腔结构的四边形宽禁带半导体微/纳米线之后，在单根四边形宽禁带半导体微/纳米线的下侧通过磁控溅射法制备金属薄膜；
⑤金属纳米粒子的制备，在金属薄膜材料对侧，即四边形宽禁带半导体微/纳米线上侧，通过真空热蒸发、离子溅射或者磁控溅射和退火2步法制备吸收峰位于紫外波段的金属纳米粒子，其形貌包括球体、椭球体、三角柱其中一种以及上述结构组成的不规则形貌；
⑥金属电极层的制备，在上下两侧带有金属薄膜及金属纳米粒子的单根四边形宽禁带半导体微/纳米线两端通过磁控溅射法或者热蒸发方法制备金属电极层。
8.根据权利要求7所述的微腔结构紫外探测器的制备方法，所述的步骤②用于生长籽晶层的衬底为蓝宝石、石英、金刚石、云母、SiO2/Si或MgO硬度或柔性衬底。
9.根据权利要求7所述的微腔结构紫外探测器的制备方法，所述的步骤③，其特征在于所述宽禁带半导体微/纳米线生长条件为常压，生长温度为900～1300℃，生长时间为20～60分钟，生长过程中采用100～150SCCM的氩气以及0～25SCCM氧气作为载气。
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