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光热探测器及其制备方法专利

专利号:201810772703.4

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专利名称:光热探测器及其制备方法

技术领域:半导体器件

IPC主分类号:H01L27/142

申请号:CN201810772703.4

公开日:2018-11-23

说明书

一种光热探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于探测器技术领域,具体涉及一种光热探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前光电探测器主要分为两种,光子型探测器和光热型探测器,其中热释电探测器为光热型探测器中很重要的一种,广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段激光的探测,但目前的光热转化效率都比较低,主要表现为对光的吸收比较低,其光热转化率必然低。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中存在的光热探测器对于入射光吸收率低的问题,本发明提供了一种光热探测器及其制备方法,本申请实施例光热探测器通过采用多层纳米层加强对入射光的吸收,利用金属球和石墨烯薄膜层的组合设计,形成与入射光的强烈耦合效应,从而加强本申请实施例光热探测器对于入射光的吸收,提高光信号的捕捉效率,从而达到提高探测效果的目的,且结构简单,制备过程简单方便,易于操作。
[0004] 本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:一种光热探测器,由基底层、介质层、第一纳米层和第二纳米层由下及上依次连接构成;所述第一纳米层由热释电块和金属球相间连接构成,以热释电块开始,且以热释电块结束;所述第一纳米层两侧的热释电块分别设有第一电极和第二电极用于连接外电路;所述第二纳米层为石墨烯薄膜层;所述金属球由贵金属材料制成。
[0005] 进一步地,所述介质层由二氧化硅材料制成;所述石墨烯薄膜层为两层石墨烯;所述热释电块厚度为30 500nm;所述金属球直径为10 100nm;所述金属球直径不大于所述热~ ~释电块厚度;所述热释电块为矩形或者方形体;所述热释电块由锗化硅材料制成。
[0006] 进一步地,所述光热探测器还包括设于介质层下表面的第三纳米层;所述第三纳米层由金材料制成;所述第三纳米层的厚度为10 200nm。~
[0007] 进一步地,一种光热探测器的制备方法包括以下步骤:步骤1、准备基底:准备清洁干净的ITO玻璃作为基底层备用;
步骤2、蒸镀介质层:利用电子束蒸镀法在步骤1准备好的ITO玻璃上蒸镀二氧化硅,形成介质层;
步骤3、甩胶:用甩胶机在步骤2形成的介质层上涂覆PMMA光刻胶,厚度为设定的热释电块高度,待涂胶结束后将基底置于热板上烘干;
步骤4、曝光:用图形发生器设计所述第一纳米层图形,并用电子束曝光热释电块形状,得到曝光后的基底;
步骤5、显影定影:将步骤4曝光后的基底依次放入显影液和定影液中分别浸泡,然后取出烘干,所述PMMA光刻胶层上形成所述热释电块形状的孔穴;
步骤6、蒸镀锗化硅:将步骤5烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中蒸镀锗化硅,待蒸镀完成并冷却后拿出,步骤5中形成的孔穴已完全蒸镀满锗化硅,形成所述热释电块;
步骤7、剥离PMMA光刻胶:采用lift-off工艺,将步骤6中蒸镀锗化硅后的基底浸泡在丙酮中,待PMMA光刻胶完全溶解后取出;
步骤8、铺小球:将步骤7中剥离PMMA光刻胶的基底浸泡于含有链接剂的金属球溶液中不少于20min,保证金属球可以进入到热释电块之间,最后将基底拿出并放置在热板上烘干形成第一纳米层;
步骤9、铺第二纳米层:利用湿法转移将两层石墨烯薄膜铺于第一纳米层上并吹干,得到所述第二纳米层;
步骤10、镀电极:在第一纳米层两侧表面的热释电块上分别利用电化学方法镀上第一电极和第二电极即可得到所述光热探测器。
[0008] 进一步地,所述步骤3、步骤5和步骤8 中的烘干温度均不高于130℃;所述步骤5中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成。
[0009] 与现有技术相比,本发明的有益效果:(1)本申请实施例光热探测器第一纳米层由热释电块和金属球相间连接构成,以热释电块开始,且以热释电块结束,第一纳米层两侧的热释电块分别设有第一电极和第二电极用于连接外电路。当入射光竖直照射时,金属球表面吸收光子产生表面等离激元,金属球表面的自由电子发生振动产生集体振动能和热能,而且场增强的位置恰好为金属球与热释电块接触的位置,能量有效的传递给热释电块,使得热释电块内部的电荷分布发生变化,产生电极化,从而将光信号通过能量转化为可利于探测的电信号,将电信号通过第一电极和第二电极输送到外电路进行表征。本申请实施例采用信号转化将光信号转化为利于检测的电信号,达到光热探测的目的。第一纳米层由热释电块和金属球相间连接构成,可以产生表面等离激元效应,且局域电场增强的区域主要集中在金属球与热释电块靠近的位置,能量转化效率高,相比于传统光热探测器的光热转化效率提高,光热探测效果更好,本申请实施例光热探测器结构简单,易于制备。
[0010] (2)本申请实施例光热探测器第一纳米层采用金属球纳米粒子,金属球的直径为10 100nm,金属球的直径远小于入射波长,在共振波长的照射下使得金属球表面的自由电~
子受到电场极化方向的影响而产生不均匀的分布,并且随着电磁场振荡而运动以反抗外在的电磁场的穿透,从而引发金属球内自由电子的集体运动,造成极强的远场散射与极强的近场电场放大,产生最大幅度的电磁场增益,从而提高本申请实施例光热探测器对于入射光的吸收。
[0011] (3)本申请实施例光热探测器第二纳米层采用双层石墨烯薄膜层,石墨烯是一个很好的饱和体和吸收体,双层石墨烯薄膜之间可以形成谐振腔,使光在谐振腔内的传导时8 -1
间更长,双层石墨烯的单光子吸收系数(约为2.1×10 m )大于单层石墨烯的(约为6.8×
107m-1)吸收系数,本申请实施例采用双层石墨烯薄膜,吸收效率更好,能力更强。
[0012] (4)本申请实施例光热探测器在介质层下表面还设有由金材料制成的第三纳米层,利用金膜与入射光之间的耦合作用,加强对于入射光的吸收,使得本申请实施例探测器的光吸收效果更好。
[0013] (5)本申请实施例光热探测器设置有第一纳米层、第二纳米层和第三纳米层共同吸收,共同提高光热探测器对于光子的吸收,本申请实施例光热探测器结构简单,制备方便,易于操作,增强吸收明显,具有很强的实用推广价值。

附图说明

[0014] 图1是本申请实施例1光热探测器结构示意图;图2是本申请实施例2光热探测器结构示意图;
图3是本申请实施例光热探测器对入射光的吸收光谱图。
[0015] 其中,图1和图2中:1、介质层;2、第一纳米层;21、热释电块;22、金属球;3、第二纳米层;41、第一电极;42、第二电极;5、第三纳米层。

具体实施方式

[0016] 为了解决现有技术中存在的光热探测器对于入射光吸收率低的问题,本发明提供了一种光热探测器及其制备方法,本申请实施例光热探测器通过采用多层纳米层加强对入射光的吸收,利用金属球和石墨烯薄膜层的组合设计,形成与入射光的强烈耦合效应,从而加强光热探测器对于入射光的吸收,提高光信号的捕捉效率,从而达到提高探测效果的目的,且结构简单,制备过程简单方便,易于操作。
[0017] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0018] 实施例1:如图1所示,为本申请实施例一种光热探测器结构示意图,本实施例光热探测器由基底层、介质层1、第一纳米层2和第二纳米层3由下及上依次连接构成,第一纳米层2由热释电块
21和金属球22相间连接构成,以热释电块21开始,且以热释电块21结束,第一纳米层2两侧的热释电块21分别设有第一电极41和第二电极42用于连接外电路。
[0019] 具体而言:第二纳米层3为石墨烯薄膜层,金属球22由贵金属材料制成。介质层1由二氧化硅材料制成,石墨烯薄膜层为两层石墨烯,热释电块21厚度为30 500nm,金属球22直~径为10 100nm,金属球22直径不大于热释电块21厚度,热释电块21为矩形或者方形体,热释~
电块21由锗化硅材料制成。
[0020] 当入射光通过第二纳米层3竖直照射到金属球22表面时,金属球22表面的自由电子产生集体振动,形成沿着金属球22表面传播的电磁波,当入射光的频率与金属球22共振频率相等时,产生共振现象,入射光的能量转化为金属内部自由电子的集体振动能,振动产生的能量传递到热释电块21,随着金属球22能量与温度的不断变化,热释电块21的温度也随之改变,热释电块21晶体表面的极化电荷则随之发生改变。在外电场的作用下,热释电块21内部电荷重新分配,正电荷趋向阴极,负电荷趋向阳极,热释电块21一个表面带正电,一个表面带负电,产生电极化现象,从而达到从光到电的信号转化,然后通过外电路将电信号输出,达到利用电信号表征光信号的目的。
[0021] 金属球22的直径为10 100nm,金属球22由贵金属材料制成,介质层1由二氧化硅材~料制成。
[0022] 具体而言:本申请实施例光热探测器第一纳米层2采用金属球22纳米粒子,金属球22由贵金属材料制成,本实施例优选为金材料,金属球22的直径为10 100nm,金属球22的直~
径远小于入射波长,在共振波长的照射下使得金属球22表面的自由电子受到电场极化方向的影响而产生不均匀的分布,并且随着电磁场振荡而运动以反抗外在的电磁场的穿透,从而引发金属球22内自由电子的集体运动,造成极强的远场散射与极强的近场电场放大,产生最大幅度的电磁场增益,从而提高本申请实施例光热探测器对于入射光的吸收。
[0023] 如图3(a)所示,为本实施例光热探测器无石墨烯薄膜层的光吸收谱线图,吸收主要集中在短波段,在紫外和可见光波段吸收率为40%左右。
[0024] 第二纳米层3为石墨烯薄膜层,石墨烯薄膜层为两层石墨烯。
[0025] 具体而言:本实施例光热探测器第二纳米层3采用双层石墨烯薄膜层,石墨烯是一个很好的饱和体和吸收体,双层石墨烯薄膜之间可以形成谐振腔,使光在谐振腔内的传导时间更长,双层石墨烯的单光子吸收系数(约为2.1×108m-1)大于单层石墨烯的吸收系数(约为6.8×107m-1),本申请实施例采用双层石墨烯薄膜,吸收效率更好,能力更强。
[0026] 如图3 (b)所示,为本实施例光热探测器增加石墨烯薄膜层后的光吸收谱线图,在紫外和可见波段吸收效率相比于无石墨烯薄膜层时明显提高,尤其是在短波处产生一个吸收模式,当λ=820nm,吸收率A=66%,相比于传统感光材料,光吸收率更高,效果更好。
[0027] 实施例2:如图2所示,基于实施例1公开的一种光热探测器,本申请实施例公开了一种光热探测器,在实施例1公开的一种光热探测器基础上,本实施例在介质层1下表面设置第三纳米层
5,第三纳米层5由金材料制成。
[0028] 具体而言:介质层1下表面还设有由金材料制成的第三纳米层5,第三纳米层5的厚度为10 200nm。
~
利用金膜与入射光之间的耦合作用,加强对于入射光的吸收,使得本申请实施例探测器的光吸收效果更好。
[0029] 如图3 (c)所示,为本实施例光热探测器增加第三纳米层5后的光吸收谱线图,各波段的吸收均有所增长,并且在实施例2中λ=820nm的吸收模式吸收率A从66%增加到90%,在长波长处,还增加了一个新的吸收模式:λ=2540nm,A=30.68% 。
[0030] 实施例3:基于实施例1公开的一种光热探测器,本申请实施例公开了一种光热探测器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、准备基底:准备清洁干净的ITO玻璃作为基底层备用;
步骤2、蒸镀介质层:利用电子束蒸镀法在步骤1准备好的ITO玻璃上蒸镀二氧化硅,形成介质层;
步骤3、甩胶:用甩胶机在步骤2形成的介质层上涂覆PMMA光刻胶,厚度为设定的热释电块高度,待涂胶结束后将基底置于热板上烘干;
步骤4、曝光:用图形发生器设计所述第一纳米层图形,并用电子束曝光热释电块形状,得到曝光后的基底;
步骤5、显影定影:将步骤4曝光后的基底依次放入显影液和定影液中分别浸泡,然后取出烘干,所述PMMA光刻胶层上形成所述热释电块形状的孔穴;
步骤6、蒸镀锗化硅:将步骤5烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机中蒸镀锗化硅,待蒸镀完成并冷却后拿出,步骤5中形成的孔穴已完全蒸镀满锗化硅,形成所述热释电块;
步骤7、剥离PMMA光刻胶:采用lift-off工艺,将步骤6中蒸镀锗化硅后的基底浸泡在丙酮中,待PMMA光刻胶完全溶解后取出;
步骤8、铺小球:将步骤7中剥离PMMA光刻胶的基底浸泡于含有链接剂的金属球溶液中不少于20min,保证金属球可以进入到热释电块之间,最后将基底拿出并放置在热板上烘干形成第一纳米层;
步骤9、铺第二纳米层:利用湿法转移将两层石墨烯薄膜铺于第一纳米层上并吹干,得到所述第二纳米层;
步骤10、镀电极:在第一纳米层两侧表面的热释电块上分别利用电化学方法镀上第一电极和第二电极即可得到所述光热探测器。
[0031] 具体而言:步骤3、步骤5和步骤8 中的烘干温度均不高于130℃。步骤5中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成。
[0032] 本申请实施例提供的制备实施例1光热探测器的制备过程,也可用于制备实施例2中提出的光热探测器。本实施例提供的光热探测器制备方法简单易于操作,增强吸收明显,具有很强的实用推广价值。
[0033] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

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已下证=专利裸价+著录项变更(200元)+滞纳金(按实收)+恢复权利请求费1000元(按实收)+委托服务费(200元)+税金(专利裸价+委托服务费)x6%

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