双色探测器

摘要

本发明公开了一种双色探测器，其特征在于，所述双色探测器采用纵向集成结构，自下而上依次包括衬底、铝镓氮材料层、金属叉指电极、绝缘介质层、石墨烯材料层以及金属电极。该探测器中两种波段的探测器件具有自下而上的集成结构，减小了器件尺寸，降低了制备工艺和探测系统的复杂性。

权利要求

1.一种双色探测器，其特征在于，所述双色探测器采用纵向集成结构，自下而上依次包括衬底、铝镓氮材料层、金属叉指电极、绝缘介质层、石墨烯材料层以及金属电极；

其中，所述金属叉指电极的周期T与红外探测波段的峰值波长λp的关系为λp＝0.6+α*T，其中，α＝1～2。

2.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的相对介电常数为

2～10。

3.根据权利要求2所述的双色探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为500～

1000nm。

4.根据权利要求3所述的双色探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的相对介电常数为

2，厚度为800nm。

5.根据权利要求2所述的双色探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。

6.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述石墨烯材料层为单原子层的石墨烯材料层。

7.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述铝镓氮材料层中，铝的组分为

40％～100％。

8.根据权利要求1或7所述的双色探测器，其特征在于，所述铝镓氮材料层的厚度为

500nm～1000nm。

9.根据权利要求1所述的双色探测器，其特征在于，所述双色探测器上还设置有一钝化层，所述钝化层的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。

说明书

双色探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及能够对多波段信号进行探测的探测器技术领域，尤其涉及一种具有高响应度的紫外-红外双色探测器。

背景技术

[0002] 红外探测器和紫外探测器是两种常见的广泛应用于军事和民用等方面的探测器。红外探测器在红外夜视技术、红外搜索与跟踪、气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查、煤矿井下测温及隐蔽火源探测中都起到了非常重要的作用。紫外探测器除了紫外通讯、生化分析和早期导弹预警等相关军事领域的应用外，在皮肤病变细节诊断、癌细胞检测、微生物检测和白血球检测等医学和生物学方面，以及明火探测、臭氧监测、海上油监、公安侦察及天文观测等方面也有着非常重要的应用。然而，由于红外干扰技术的快速发展、实际应用环境的复杂性及对集成度要求的不断提高，单色探测器越来越不能满足应用的需要。探测器技术不断向大列阵、焦平面、集成化、小体积、多色化方向发展，尤其紫外与红外集成探测等大波段范围多色集成探测目前已经成为各个国家在探测领域的重要需求。把红外和紫外二者组合成紫外-红外双色探测器，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显地降低虚警率，显著地提高系统的性能和在各种应用平台上的通用性。

[0003] 以氮化镓(GaN)/铝镓氮(AlGaN)体系为代表的Ⅲ族氮化物材料体系，具有同一体系材料可实现紫外-红外双波段甚至多波段吸收这一优点，从理论上可以很好地实现紫外-红外双色探测。目前，适应紫外探测器尤其日盲紫外(<280nm)探测器的高铝(Al)组分铝镓氮(AlGaN)材料已经比较成熟，做研制的紫外探测器的响应度很高。但进行红外探测的窄带隙结构还存在很多问题，远不能实用。同时两种结构的集成外延给材料生长带来了很大困难，因而亟待需要一种新的方式来实现可调控的紫外-红外集成探测。

发明内容

[0004] 针对上述提到的现有技术的不足，为了实现高响应度的紫外与红外波段的集成探测，顺应探测器向小型化、集成化和多功能化的设计要求，本发明提供了一种具有高响应度的紫外-红外双色探测器，该双色探测器采用纵向集成结构，自下而上依次包括衬底、铝镓氮材料层、金属叉指电极、绝缘介质层、石墨烯材料层以及金属电极。

[0005] 优选地，所述金属叉指电极的周期T与红外探测波段的峰值波长λp的关系为λp＝0.6+α*T，其中，α＝1～2。

[0006] 优选地，所述绝缘介质层的相对介电常数为2～10。

[0007] 优选地，所述绝缘介质层的厚度为500～1000nm。

[0008] 优选地，所述绝缘介质层的相对介电常数为2，厚度为800nm。

[0009] 优选地，所述绝缘介质层的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。

[0010] 优选地，所述石墨烯材料层为单原子层的石墨烯材料层。

[0011] 优选地，所述铝镓氮材料层中，铝的组分为40％～100％。

[0012] 优选地，所述铝镓氮材料层的厚度为500～1000nm。

[0013] 优选地，所述双色探测器上还设置有一钝化层，所述钝化层的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。

[0014] 本发明实施例提供的双色探测器通过设置具有金属叉指电极的铝镓氮材料层进行紫外探测，通过设置具有金属电极的可以进行室温工作的石墨烯材料层进行红外探测，具有自下而上的集成结构，减小了器件尺寸，降低了制备工艺和探测系统的复杂性；另外，通过设置双色探测器中的金属叉指电极的周期以及调节绝缘介质层的相对介电常数和厚度，可以调控金属表面等离子激元对红外探测波段的选择性耦合与耦合强度，提高石墨烯材料层对红外探测的响应度。

附图说明

[0015] 图1是本发明实施例提供的双色探测器的主视剖面图。

[0016] 图2是本发明实施例提供的双色探测器的俯视图。

[0017] 图3是本发明实施例提供的双色探测器的立体图。

具体实施方式

[0018] 为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。

[0019] 本发明技术方案的目的是为了实现高响应度的紫外与红外波段的集成探测，顺应探测器向小型化、集成化和多功能化的设计要求，提供了一种具有高响应度的紫外-红外双色探测器。

[0020] 石墨烯材料的出现和成功制备为各领域的发展注入了新的活力，甚至将引起很多领域的变革。单原子层石墨烯从红外到可见光的波段范围的吸收可达2.3％，而达到同样的吸收效率需要15nm厚的Si材料或20nm厚的GaAs材料。同时，石墨烯材料还具有光生载流子倍增效应和非常高的载流子迁移率(室温下可超过200,000cm2/Vs)，因而是极具应用前景的高响应度、高频率响应和宽响应谱红外光电探测材料。

[0021] 针对当前紫外-红外双色探测所遇到的问题，基于长期对Ⅲ族氮化物及石墨烯材料的研究工作，本发明提出了一种具有高响应度的紫外-红外双色探测器，可以有效降低材料生长难度，简化器件工艺制备过程，实现高响应度的紫外-红外双色集成探测。

[0022] 参阅图1-3，该双色探测器采用纵向集成结构，自下而上依次包括衬底6、铝镓氮材料层5、金属叉指电极4、绝缘介质层3、石墨烯材料层2以及金属电极1；其中，所述铝镓氮材料层5用于进行紫外探测，所述石墨烯材料层2用于进行红外探测。

[0023] 如上提供的紫外-红外双色集成探测器，可以同时实现对紫外和红外波段的高响应探测，利用组分可调的铝镓氮(AlGaN)材料可以实现不同频段的紫外探测，利用具有高迁移率的石墨烯材料可以实现长波红外探测。其中，利用石墨烯材料可以实现高响应度的室温工作的红外探测器件，大大降低了探测器的制备过程和制冷系统的复杂性。结合铝镓氮(AlGaN)紫外探测器的高响应性能及波段可调性，将二者结合可以有效减小探测器芯片尺寸，简化探测器的光学系统、电学系统和制冷系统。

[0024] 其中，衬底6的材料可以选择为蓝宝石或硅；金属叉指电极4包括两层金属层，例如可以由镍和金两层金属层组成；绝缘介质层3的材料可以选择为氧化硅、氮化硅或氧化铝；金属电极1包括两个电极，分别位于石墨烯材料层2的两端，金属电极1包括两层金属层，例如可以由钛和金两层金属层组成；铝镓氮材料层5中，铝的组分为40％～100％；铝镓氮材料层5的厚度为500～1000nm以上。

[0025] 在本实施例中，金属叉指电极4的周期T与红外探测波段的峰值波长λp的关系为λp＝0.6+α*T，其中，α＝1～2。当金属叉指电极4的周期与外探测波段的峰值波长具有如上的关系时，金属叉指电极4可以调控金属表面等离子激元对红外探测波段的选择性耦合与耦合强度，提高石墨烯材料层2对红外探测的响应度。

[0026] 在本实施例中，绝缘介质层3的相对介电常数优选为2～10；其厚度优选为500～1000nm。当绝缘介质层的相对介电常数和厚度选择在以上范围内时，可以调控金属表面等离子激元对红外探测波段的选择性耦合与耦合强度，提高石墨烯材料层2对红外探测的响应度。更为优选的数值是，绝缘介质层的相对介电常数为2，厚度为800nm。

[0027] 在本实施例中，石墨烯材料层2为单原子层的石墨烯材料层。采用单原子层的石墨烯材料可以减小对紫外辐射的吸收，避免对铝镓氮材料层5对紫外探测的响应度的衰减。

[0028] 另外，在本实施例中，为了保证器件的可靠性和稳定性，还可以在双色探测器的上表面设置一钝化层(附图中未标示出)。钝化层的材料可以选择是氧化硅、氮化硅或氧化铝。

[0029] 以上技术方案提供的双色探测器结构简单，其制备工艺难度低。下面以工作在日盲紫外波段和中红外波段的双色探测器为例，通过介绍其制备工艺(其结构参阅附图1-3)使本领域的技术人员更详细的了解本发明提供的技术方案。制备工艺具体包括如下步骤：

[0030] 步骤1：以蓝宝石为衬底6，并在蓝宝石衬底6上利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺生长1μm厚的铝镓氮(AlGaN)材料层5，其中AlGaN材料中铝(Al)的组分为45％。需要说明的是，紫外吸收波段λUV可以通过调节铝(Al)的组分x进行调控，紫外吸收波段λUV与铝的组分x具有如下的关系：

[0031]

[0032] 步骤2：利用紫外光刻工艺，在铝镓氮(AlGaN)材料层5上制作金属叉指电极4掩膜，金属叉指电极4的周期根据需要探测的红外波长进行调节。通过关系式λp＝0.6+α*T计算得出，其中，在本实施例中α＝1.27，T为金属叉指电极4的周期，λp为红外探测波段的峰值波长。

[0033] 步骤3：利用电子束蒸发工艺，在带有掩膜的铝镓氮(AlGaN)材料层5上沉积镍/金(Ni/Au)合金做为金属叉指电极4，即金属叉指电极4包括镍金属层和金金属层，其中镍金属层的厚度为50nm，金金属层的厚度为300nm。将掩膜剥离，制备完成金属-半导体-金属结构的铝镓氮日盲紫外探测器部分。

[0034] 步骤4：利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，在具有金属叉指电极4的铝镓氮材料层5上沉积一定厚度的二氧化硅(SiO2)作为绝缘介质层3，本实施例中针对中红外(～4μm)的探测波段，绝缘介质层3的相对介电常数和厚度分别选择为2和800nm。

[0035] 步骤5：利用化学气相沉积(CVD)工艺，在绝缘介质层3上沉积一层单原子层的石墨烯材料层2。

[0036] 步骤6：利用紫外光刻工艺，在石墨烯材料层2上制作金属电极1掩膜。

[0037] 步骤7：利用电子束蒸发工艺，在带有掩膜的石墨烯材料层2上沉积钛/金(Ti/Au)合金作为金属电极1，即金属电极1包括钛金属层和金金属层，其中钛金属层的厚度为20nm，金金属层的厚度为300nm。将掩膜剥离，制备完成石墨烯红外探测器部分。

[0038] 步骤8：为了保证器件的可靠性和稳定性，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、紫外光刻工艺和反应离子刻蚀(RIE)工艺在紫外-红外双色探测器上沉积和制备500nm厚的的氧化硅介质层作为钝化层。

[0039] 以上制备得到的双色探测器，当红外与紫外信号辐射到该探测器时，红外光被石墨烯材料层2吸收，转换为电信号，并通过石墨烯器件的金属电极1接收。同时，受到具有一定周期的金属叉指电极4的金属表面等离子激元的耦合增强，石墨烯红外探测器件的响应度得到进一步提高，并且通过设定特定厚度范围和相对介电常数范围的绝缘介质层3，可以进一步提高石墨烯红外探测器件的响应度。由于单原子层石墨烯材料层2对紫外的吸收很小，紫外光被铝镓氮材料层5吸收，转换为电信号，并通过金属叉指电极4接收。

[0040] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0041] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。