一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器转让专利
申请号 : CN201910931220.9
文献号 : CN110729372B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 张程 , 施嘉伟 , 李孝峰 , 刘添裕 , 曹诗嘉 , 眭博闻 , 蔡文杰
申请人 : 苏州大学
摘要 :
本发明涉及光电传感技术领域，为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，提供一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅基底和金属光栅；金属光栅和硅基底之间有一层钛薄膜作为粘附层；金属光栅连接到顶部导电电极；硅背面设有底部导电电极；通过将金属光栅嵌入在硅基底中的方式进一步地提高了金属的光吸收效率、热电子产生率，减少了热电子的热化损失，增加了光栅侧面的肖特基界面而提高了热电子转移到硅中的收集效率，进而提升了光电探测器的响应度；调节金属光栅周期可改变探测器的响应波长，实现了波长可调的近红外光电探测器。
权利要求 :
1.一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，包含硅基底、钛薄膜、金属光栅、顶部导电电极、底部导电电极；所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅基底上；所述底部导电电极连接于硅基底，所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；
所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅；
所述金属光栅嵌入于所述硅基底中；所述金属光栅厚度为100～400nm；所述金属光栅嵌入硅基底中的嵌入深度为0～600nm；所述的钛薄膜层厚度为1～5nm；
制备流程为：首先在硅基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，用电子束光刻在聚甲基丙烯酸甲酯上曝光出光栅结构，通过显影、定影得到纳米光栅图案；然后用反应离子刻蚀硅基底；
接着用电子束蒸镀分别将所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅基底上，最后通过剥离过程去除聚甲基丙烯酸甲酯得到基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述硅基底背面的底部导电电极为铟、铝中的一种；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜、铝。
说明书 :
一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器
技术领域
[0001] 本发明涉及光电传感技术领域，具体涉及一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器。
背景技术
[0002] 在平面金属中，电子吸收入射光的能量，从基态跃迁到更高的能级从而转化为热电子，这个过程被称为光致直接激发。然而，由于平面金属反射率较高，导致热电子的产生
效率极低。由于表面等离激元具有较高的局域电场增强效应，因此通过激发表面等离激元
来产生热电子的过程正越来越受到重视。在金属纳米结构中，金属中的电子与入射电磁波
发生共振而激发表面等离激元，并在表面等离激元的能量扰动下通过电子跃迁的形式产生
热电子。通过这种方法，光信号能够高效地被光电探测器转换成电信号。然而，如何进一步
地提高光电探测器的光响应度一直是很大的难题。
效率极低。由于表面等离激元具有较高的局域电场增强效应，因此通过激发表面等离激元
来产生热电子的过程正越来越受到重视。在金属纳米结构中，金属中的电子与入射电磁波
发生共振而激发表面等离激元，并在表面等离激元的能量扰动下通过电子跃迁的形式产生
热电子。通过这种方法，光信号能够高效地被光电探测器转换成电信号。然而，如何进一步
地提高光电探测器的光响应度一直是很大的难题。
[0003] 近年来，在周期性金属孔阵列结构中发现了一种特殊的光透射现象，通过金属孔阵列结构有助于表面等离激元在金属表面更高效地产生和传播。通过在硅基底上制备金光
栅结构，在零偏置电压下光电探测器的响应度可以达到0.6 mA/W。同时，改变光栅结构的周
期可以调节光探测波长。如（申请号：CN201110124310.0）《硅纳米线光栅谐振增强型光电探
测器及其制作方法》中通过设计周期性的纳米金属栅光栅结构，有效地把光集中到亚波长
光栅探测区域，增强了光的表面透射和吸收。如（申请号：CN201810421809.X）《吸收增强的
光栅耦合型硅基光电探测器及其制备方法》中采用二维结构的周期性金属光栅与入射光耦
合，利用表面等离子体激元和金属光栅狭缝间的类F‑P共振将光局域在有源层表面，增强光
电探测器对光的吸收。然而，由于金属光栅结构的光吸收效率有待提高（50%），且传统的金
~
属光栅结构只在底部与硅接触形成平面的肖特基结，限制了热电子注入到半导体中的效
率，不利于高效率的光电探测。
栅结构，在零偏置电压下光电探测器的响应度可以达到0.6 mA/W。同时，改变光栅结构的周
期可以调节光探测波长。如（申请号：CN201110124310.0）《硅纳米线光栅谐振增强型光电探
测器及其制作方法》中通过设计周期性的纳米金属栅光栅结构，有效地把光集中到亚波长
光栅探测区域，增强了光的表面透射和吸收。如（申请号：CN201810421809.X）《吸收增强的
光栅耦合型硅基光电探测器及其制备方法》中采用二维结构的周期性金属光栅与入射光耦
合，利用表面等离子体激元和金属光栅狭缝间的类F‑P共振将光局域在有源层表面，增强光
电探测器对光的吸收。然而，由于金属光栅结构的光吸收效率有待提高（50%），且传统的金
~
属光栅结构只在底部与硅接触形成平面的肖特基结，限制了热电子注入到半导体中的效
率，不利于高效率的光电探测。
发明内容
[0004] 为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，本发明提供一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用如下技术方案：
[0005] 一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅基底、钛薄膜、金属光栅、顶部导电电极、底部导电电极；所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅基底上；
所述底部导电电极连接于硅基底，所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜
作为粘附层连接硅基底和金属光栅；所述金属光栅嵌入于所述硅基底中。
所述底部导电电极连接于硅基底，所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜
作为粘附层连接硅基底和金属光栅；所述金属光栅嵌入于所述硅基底中。
[0006] 上述方案中金属光栅位于最上层，硅基底为最下层，且此处的“上、下”仅为各个部件之间位置关系的描述，并不限定整体结构的状态。
[0007] 上述方案的工作原理以及实现的效果：本发明的一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用金属材料作为吸光层，通过将金属光栅嵌入在硅基底中进
一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，减少了热电子的热化损失，增加了光栅侧面
的肖特基界面而提高了热电子转移到硅中的收集效率。通过改变金属光栅周期可调节探测
器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。
一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，减少了热电子的热化损失，增加了光栅侧面
的肖特基界面而提高了热电子转移到硅中的收集效率。通过改变金属光栅周期可调节探测
器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。
[0008] 进一步地，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。
[0009] 优选金属材料可以为金、银、铜和铝中的一种，且所述金属光栅厚度为200 500 ~
nm。
nm。
[0010] 进一步地，所述金属光栅嵌入硅基底中的嵌入深度为0 600 nm。~
[0011] 进一步地，所述位于硅基底上层的钛薄膜层厚度为1 5 nm。~
[0012] 进一步地，所述硅基底背面的底部导电电极可以为铟、铝中的一种。
附图说明
[0013] 图1为基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器结构前视图；
[0014] 图2为与未引入嵌入式光栅结构的光电探测器在横磁平面波入射下的光吸收率对比图；
[0015] 图3为与未引入嵌入式光栅结构的光电探测器在不同周期下的光学响应度对比图；
[0016] 图4为嵌入式金属光栅结构的实验制备流程图；
[0017] 图中：1—硅基底、2—钛薄膜层、3—金属光栅、4—顶部导电电极、5—底部导电电极。
具体实施方式
[0018] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发
明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术
人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术
人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019] 以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0020] 实施例一
[0021] 如图1所示，一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅基底1、钛薄膜2、金属光栅3、顶部导电电极4、底部导电电极5；所述钛薄膜和金属光栅依次设
于所述硅基底上；所述底部导电电极连接于硅基底，所述的顶部导电电极与金属光栅固定
连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅；所述金属光栅嵌入于所述硅基底中。
于所述硅基底上；所述底部导电电极连接于硅基底，所述的顶部导电电极与金属光栅固定
连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅；所述金属光栅嵌入于所述硅基底中。
[0022] 优选地，金属光栅可为金、银、铜和铝中的一种，且金光栅厚度为100 400 nm。~
[0023] 优选地，底部导电电极可为铟、铝中的一种。
[0024] 实施例二
[0025] 一种基于嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅基底和金光栅；
[0026] 具体地，所述金光栅和硅基底之间有一层钛薄膜作为粘附层；
[0027] 具体地，钛薄膜层和金光栅依次设于硅基底上；
[0028] 所述金光栅嵌入硅基底中，嵌入深度为0 600 nm。~
[0029] 金光栅用于吸收光子并产生热电子，金光栅连接到金平板上，作为顶部导电电极，位于硅基底背面设有底部导电电极；
[0030] 金光栅和硅基1组成的嵌入式结构能够激发表面等离子光学共振，进而将电场局域在金光栅与硅基底组成的肖特基界面处，显著地提高了金光栅对光子的吸收率。
[0031] 在本发明的一些实施例中，通过调节金光栅周期改变光电探测器的响应波长，以实现器件的可调谐性。
[0032] 在本发明的另一些实施例中，钛薄膜的厚度为1 5 nm。~
[0033] 图2比较了传统光栅结构和嵌入式光栅结构的光吸收谱。结果表明对嵌入式光栅结构，嵌入深度在80 nm和440 nm处的光吸收谱几乎一致（84%），相对传统光栅结构提高了
50%，这表明将光栅嵌入进硅基底中提高了金光栅的光吸收效率和热电子产生率。
50%，这表明将光栅嵌入进硅基底中提高了金光栅的光吸收效率和热电子产生率。
[0034] 图3显示了不同周期和嵌入深度下，基于传统光栅结构和嵌入式光栅结构的热电子光电探测器响应度谱。对基于传统光栅结构的热电子光电探测器，响应度峰值约为0.65
mA/W。得益于增强的光吸收和金光栅侧面与硅形成的肖特基结，基于嵌入式光栅结构（嵌入
深度为80 nm）的热电子光电探测器响应度相对于传统光栅结构（嵌入深度为0 nm ）的提高
了2.3倍。当金光栅完全嵌入到硅中（嵌入深度为440 nm），响应度提高到了2.4 mA/W，是基
于传统光栅结构的3.7倍。当周期为1300 nm，表面等离子共振波长红移到1546 nm，基于嵌
入式光栅结构的热电子光电探测器响应度相对于基于传统光栅结构的分别提高了2.7和4
倍。继续增大光栅周期到1400 nm，基于嵌入式光栅结构的热电子光电探测器峰值波长响应
度是基于传统光栅结构的 3.5倍。
~
mA/W。得益于增强的光吸收和金光栅侧面与硅形成的肖特基结，基于嵌入式光栅结构（嵌入
深度为80 nm）的热电子光电探测器响应度相对于传统光栅结构（嵌入深度为0 nm ）的提高
了2.3倍。当金光栅完全嵌入到硅中（嵌入深度为440 nm），响应度提高到了2.4 mA/W，是基
于传统光栅结构的3.7倍。当周期为1300 nm，表面等离子共振波长红移到1546 nm，基于嵌
入式光栅结构的热电子光电探测器响应度相对于基于传统光栅结构的分别提高了2.7和4
倍。继续增大光栅周期到1400 nm，基于嵌入式光栅结构的热电子光电探测器峰值波长响应
度是基于传统光栅结构的 3.5倍。
~
[0035] 如图4所示，基于嵌入式光栅结构热电子光电探测器的实验制备流程。首先在硅基底上旋涂800 nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）（步骤1），用电子束光刻（EBL）在PMMA上曝光
出周期1200 nm、宽度950 nm的光栅结构，通过显影、定影得到纳米光栅图案（步骤2）；然后
用反应离子刻蚀（RIE）将硅刻蚀80 nm和440 nm（步骤3）；接着用电子束蒸镀分别镀5 nm钛
和200 nm金（步骤4），最后通过剥离过程（liftoff）去除PMMA得到热电子光电探测器件（步
骤5）。图4中为了区分不同的部件用了不同的填充形式，并不是其具体形状结构的限制。
出周期1200 nm、宽度950 nm的光栅结构，通过显影、定影得到纳米光栅图案（步骤2）；然后
用反应离子刻蚀（RIE）将硅刻蚀80 nm和440 nm（步骤3）；接着用电子束蒸镀分别镀5 nm钛
和200 nm金（步骤4），最后通过剥离过程（liftoff）去除PMMA得到热电子光电探测器件（步
骤5）。图4中为了区分不同的部件用了不同的填充形式，并不是其具体形状结构的限制。
[0036] 本方案的基于嵌入式光栅结构的热电子光电探测器，通过将金光栅嵌入在硅基底中进一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，减少了热电子的热化损失，增加了光栅
侧面的肖特基界面而提高了热电子转移到硅中的收集效率。此外，增加的肖特基界面减少
了热电子的热化损失、提高了热电子的注入效率，共同导致器件的响应度达到了2.4 mA/W，
是基于传统光栅结构的3.7倍。
侧面的肖特基界面而提高了热电子转移到硅中的收集效率。此外，增加的肖特基界面减少
了热电子的热化损失、提高了热电子的注入效率，共同导致器件的响应度达到了2.4 mA/W，
是基于传统光栅结构的3.7倍。
[0037] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。
应视为本发明的保护范围。