一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器

摘要

一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，属于半导体光电探测器技术领域。解决了现有技术中的紫外/红外双色探测器无法实现高效的紫外和红外的探测、受低温应用限制、原材料有毒、制备繁琐、制备中不可避免引入大量污染物等问题。本发明的双色探测器，由衬底、紫外探测器外延层和红外探测器外延层组成，紫外探测器外延层为连续层结构，固定在衬底的上表面上，材料为三维氮化硼，红外探测器外延层为连续层结构或图案化结构，固定在紫外探测器外延层的上表面上，材料为二维氮化硼。该双色探测器利用三维氮化硼的本征紫外吸收性能和二维氮化硼的声子极化红外吸收性能，实现紫外和红外的同时探测，该探测器使用不受低温限制，且安全环保、制备简单。

权利要求

1.基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，由衬底、紫外探测器外延层和红外探测器外延层组成，所述紫外探测器外延层为连续层结构，固定在衬底的上表面上，材料为三维氮化硼，红外探测器外延层为连续层结构或图案化结构，固定在紫外探测器外延层的上表面上，材料为二维氮化硼；

所述氮化硼为六方氮化硼。

2.根据权利要求1所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述紫外探测器外延层和红外探测器外延层之间设有隔离层，隔离层的材料为介电材料。

3.根据权利要求2所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述隔离层的厚度为20纳米以上。

4.根据权利要求2所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述介电材料为氧化硅。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述紫外探测器外延层的厚度为100纳米以上。

6.根据权利要求1-4任何一项所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述红外探测器外延层的厚度为1-99纳米。

7.根据权利要求1-4任何一项所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述红外探测器外延层为图案化阵列结构，由多个阵列单元组成。

8.根据权利要求7所述的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，其特征在于，所述阵列单元的形状为正方体、圆柱体或正六棱柱，且阵列单元的中心轴垂直于固定面。

说明书

一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器

技术领域

[0001] 本发明属于半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器。

背景技术

[0002] 紫外探测器和红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，将两种波段探测集成的紫外/红外双色探测器可以抑制背景噪声降低虚警率，是当今光电探测技术发展的研究热点之一。但紫外/红外双色探测器的发展尚处于起步阶段，双色探测器的材料是亟待解决的问题之一。

[0003] 现有技术中，随着宽禁带半导体材料质量的提高，高质量多量子阱器件结构的制备工艺逐步成熟，GaN/AlGaN量子阱体系成为了紫外/红外双色探测器的主流材料之一。但是，这种从GaN价带到AlGaN价带的带内跃迁只有低温下才能实现，因此GaN/AlGaN量子阱体系紫外/红外双色探测器有较好的紫外响应，但红外响应的效果欠佳，不适合大规模应用。为了改善GaN/AlGaN量子阱体系的红外探测性能，研究人员引入适合红外探测的窄禁带半导体材料与适合紫外探测的宽禁带半导体相结合以实现双色的有效探测，MCT(mercury cadmium tellurium)/GaN体系、PbS/ZnO体系相继出现，但这些材料仍然具有红外响应需要低温冷却、原材料具有剧毒等缺点。另外，研究人员结合Pt/CdS的紫外探测性能和InSb的红外探测性能实现了紫外/红外双色响应，但Pt/CdS的紫外探测并不在日盲紫外波段，限制了其应用。而哈尔滨理工大学结合AlGaN的日盲紫外探测性能和石墨烯的红外探测性能实现了紫外/红外双色探测器，但该体系的石墨烯制备需要经过较为复杂的转移过程，在转移过程中不可避免引入大量污染物，这会造成探测器性能低且难以提高。

[0004] 综上，现有技术中尚未出现一种能够很好的实现紫外和红外的同时探测，且不受低温限制、安全环保、制备简单的材料，故探索新型材料依然是紫外/红外双色探测器领域在发展中所面临的瓶颈问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明为解决现有技术中的技术问题，提供一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，该探测器能够实现高效的紫外和红外的探测，且不受低温限制、安全环保、制备简单。

[0006] 本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

[0007] 本发明提供一种基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底、紫外探测器外延层和红外探测器外延层组成，所述紫外探测器外延层为连续层结构，固定在衬底的上表面上，材料为三维氮化硼，红外探测器外延层为连续层结构或图案化结构，固定在紫外探测器外延层的上表面上，材料为二维氮化硼。

[0008] 进一步的，所述紫外探测器外延层和红外探测器外延层之间设有隔离层，隔离层的材料为介电材料。

[0009] 更进一步的，所述隔离层的厚度为20纳米以上。

[0010] 更进一步的，所述介电材料为氧化硅。

[0011] 进一步的，所述紫外探测器外延层的厚度为100纳米以上。

[0012] 进一步的，所述红外探测器外延层的厚度为1-99纳米。

[0013] 进一步的，所述红外探测器外延层为图案化阵列结构，由多个阵列单元组成。

[0014] 更进一步的，所述阵列单元的形状为正方体、圆柱体或正六棱柱，且阵列单元的中心轴垂直于固定面。

[0015] 本发明的原理：六方氮化硼(h-BN)是具有片层状结构的宽禁带半导体，其体材料禁带宽度在5.7eV左右，对210nm附近的日盲紫外光具有较强的吸收。同时，其光学声子在中红外光照射下会形成声子极化波，并在二维氮化硼表面进行面内传播，利用二维氮化硼的光学声子在中红外光照下的共振极化效应可以实现红外探测。并且二维氮化硼声子极化波的传播距离最远可以达到10μm，是石墨烯表面等离子体的传播距离(0.5μm)的20倍，二维氮化硼中较长的声子极化波传播距离可以获得较大的极化电场作用范围，从而会大幅提高红外吸收率，提高红外探测效率。因此，结合氮化硼本征紫外吸收性能和二维氮化硼声子极化红外吸收性能就可以实现紫外和红外的同时探测。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0017] 本发明的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，将三维氮化硼和二维氮化硼结合，利用三维氮化硼的本征紫外吸收性能和二维氮化硼的声子极化红外吸收性能，实现紫外和红外的同时探测，该探测器使用不受低温限制，且安全环保、制备简单，为小型化、集成化、便携式紫外/红外双色探测器提供了新思路。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0019] 图1为本发明实施例1的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构示意图；

[0020] 图2为本发明实施例2的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构示意图；

[0021] 图3为本发明实施例3的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构示意图；

[0022] 图4为本发明实施例4的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构示意图；

[0023] 图5为本发明实施例5的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构示意图；

[0024] 图中，1、紫外探测器外延层，2、红外探测器外延层，2-1、阵列单元，3、衬底，4、隔离层。

具体实施方式

[0025] 为了进一步理解本发明，下面对本发明的实施方案进行详细描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

[0026] 如图1所示，本发明的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1和红外探测器外延层2组成。

[0027] 上述技术方案中，衬底3的材料没有特殊限制，常用的如蓝宝石衬底。

[0028] 上述技术方案中，紫外探测器外延层1为连续层结构，固定在衬底3的上表面上，材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1的晶向可以根据生长及器件要求而具体制定，紫外探测器外延层的厚度为100纳米以上，一般不超过10微米。

[0029] 上述技术方案中，红外探测器外延层2固定在紫外探测器外延层1的上表面上，红外探测器外延层2为连续结构或图案化结构，图案形状、图案尺寸、图案密度、图案方位角等参数可以根据具体要求调节，优选红外探测器外延层2为阵列结构，由多个阵列单元组成，阵列单元的形状没有特殊限制，如正方体、圆柱体或正六棱柱，阵列单元的中心轴垂直于固定面；红外探测器外延层2的材料为二维氮化硼；红外探测器外延层2的厚度优选为1-99纳米。

[0030] 如图2所示，根据实际需要，紫外探测器外延层1和红外探测器外延层2之间可以设有隔离层4，即隔离层4的下表面固定在紫外探测器外延层1的上表面上，红外探测器外延层2的下表面固定在隔离层4的上表面上，隔离层4的材料为介电材料，如氧化硅；隔离层4的厚度为20纳米以上。

[0031] 在清楚本发明的基于氮化硼的紫外/红外双色探测器的结构的前提下，本领域技术人员能够基于现有技术制备本发明的探测器。紫外探测器外延层1和红外探测器外延层2的材料分别为三维氮化硼和二维氮化硼，可以通过化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延、分子束外延等适合于氮化硼N的生长方法实现。

[0032] 以下结合实施例和附图进一步说明本发明。

[0033] 实施例1

[0034] 如图1所示，基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1和红外探测器外延层2组成，紫外探测器外延层1为方体形，下表面与衬底3的上表面尺寸相同，固定在衬底3的上表面上(衬底3为蓝宝石衬底)，紫外探测器外延层1的材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1为厚度为100纳米。红外探测器外延层2也为方体形，且下表面与紫外探测器外延层1的上表面尺寸相同，红外探测器外延层2的下表面固定在紫外探测器外延层1的上表面上，红外探测器外延层2的材料为二维氮化硼，红外探测器外延层2的厚度为40纳米。

[0035] 实施例2

[0036] 如图2所示，基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1、隔离层4和红外探测器外延层2组成。紫外探测器外延层1为方体形，下表面与衬底3的上表面尺寸相同，固定在衬底3的上表面上(衬底3为蓝宝石衬底)，紫外探测器外延层1的材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1的厚度为100纳米。隔离层4为方体形，且下表面与紫外探测器外延层1的上表面尺寸相同，隔离层4的下表面固定在紫外探测器外延层1的上表面上，隔离层4的材料为介电材料(氧化硅)，隔离层4的厚度为20纳米。红外探测器外延层2也为方体形，且下表面与隔离层4的上表面尺寸相同，红外探测器外延层2的下表面固定在隔离层4上表面上，红外探测器外延层2的材料为二维氮化硼，红外探测器外延层2的厚度为50纳米。

[0037] 实施例3

[0038] 如图3所示，基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1和红外探测器外延层组成，紫外探测器外延层1为方体形，下表面与衬底3的上表面尺寸相同，固定在衬底3的上表面上(衬底3为蓝宝石衬底)，紫外探测器外延层1的材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1为厚度为200纳米。红外探测器外延层为图案化阵列结构，由多个呈阵列排布的阵列单元2-1组成，阵列单元2-1的形状为正方体，下表面均固定在紫外探测器外延层1的上表面上，阵列单元2-1的材料为二维氮化硼，红外探测器外延层2的厚度为60纳米。

[0039] 实施例4

[0040] 如图4所示，基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1和红外探测器外延层组成，紫外探测器外延层1为方体形，下表面与衬底3的上表面尺寸相同，固定在衬底3的上表面上(衬底3为蓝宝石衬底)，紫外探测器外延层1的材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1为厚度为150纳米。红外探测器外延层为图案化阵列结构，由多个呈阵列排布的阵列单元2-1组成，阵列单元2-1的形状为圆柱体，下表面均固定在紫外探测器外延层1的上表面上，阵列单元2-1的材料为二维氮化硼，红外探测器外延层2的厚度为75纳米。

[0041] 实施例5

[0042] 如图5所示，基于氮化硼的紫外/红外双色探测器，由衬底3、紫外探测器外延层1和红外探测器外延层组成，紫外探测器外延层1为方体形，下表面与衬底3的上表面尺寸相同，固定在衬底3的上表面上(衬底3为蓝宝石衬底)，紫外探测器外延层1的材料为三维氮化硼，紫外探测器外延层1为厚度为180纳米。红外探测器外延层为图案化阵列结构，由多个呈阵列排布的阵列单元2-1组成，阵列单元2-1的形状为正六棱柱，下表面均固定在紫外探测器外延层1的上表面上，阵列单元2-1的材料为二维氮化硼，红外探测器外延层2的厚度为99纳米。

[0043] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。