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一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器及其制备方法和应用

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本发明涉及光电探测器技术领域，公开了一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器及其制备方法和应用，所述红外探测器自下而上依次包括衬底、金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层；所述碲镉汞材料层上排布有至少1个金属纳米结构和至少1对电极；所述碲镉汞材料层的厚度为2100～4000nm。本发明等离激元增强的碲镉汞红外探测器的金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层以及金属纳米结构构成法布里‑珀罗(F‑P)谐振腔，可使受激辐射的光波在其谐振腔体内维持来回振荡，提高光能密度和红外吸收范围，从而提高光电探测器的光吸收和光响应能力，具有广泛的应用前景。

著录项

公开/公告号CN114927584A

专利类型发明专利
公开/公告日2022-08-19

原文格式PDF
申请/专利权人广东工业大学;
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申请/专利号CN202210704855.7
发明设计人严子粮;董华锋;吴福根;薛建材;吴子峤;
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申请日2022-06-21
分类号H01L31/0232(2014.01);H01L31/0296(2006.01);H01L31/09(2006.01);H01L31/18(2006.01);
代理机构广州粤高专利商标代理有限公司 44102;
代理人陈娟
地址 510090 广东省广州市越秀区东风东路729号
入库时间 2023-06-19 16:26:56

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2022-09-06

实质审查的生效 IPC(主分类):H01L31/0232 专利申请号:2022107048557 申请日:20220621

实质审查的生效

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类对光电探测器不断增长的需求，尤其近几年来在人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外的新探索和智能感知有着强烈的需求，大幅度降低红外光电探测器的尺寸、重量、功耗和价格，以及提高探测器的性能迫在眉捷。传统的碲镉汞红外探测器，由于苛刻的制冷条件，使得其尺寸、重量、功耗以及价格和性能一直受到极大的限制。因此，要满足上述需求，必须要寻找具有变革性特征的红外光电探测器。

等离激元学是微纳光子学的前沿研究领域之一。借由固体中关联电子的集体运动，等离激元可以将电磁场能量局域于远小于波长的区域内，从而达到近场增强的效果。由于金属-电介质界面上物质场与电磁场的强烈相互作用，在界面附近存在着丰富的光子态密度，这使得等离激元既可以极大地增强光发射的效率，又可以增强光探测效率。

将等离激元和红外光电探测器结合制备的等离激元增强的红外探测器能够解决传统碲镉汞红外探测器制冷条件苛刻的问题，例如名称为“一种等离激元增强的碲镉汞微腔红外探测器及制备方法”的专利公开了一种具有特定层次结构和厚度的红外探测器，虽然解决了制冷条件苛刻的问题，但是这种红外探测器的红外吸收范围窄，在2.5～4.5μm波长范围内具有较强吸收，最大吸收在3.5μm处，不能对2.5～4.5μm以外的波长范围进行检测。

因此，开发一种具有更宽红外吸收范围的等离激元增强的碲镉汞红外探测器具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的首要目的是克服上述现有碲镉汞红外探测器红外吸收范围窄的问题，提供一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器。本发明的等离激元增强的碲镉汞红外探测器通过构建法布里-珀罗(F-P)谐振腔，并使受激辐射的光波在该谐振腔体内维持来回振荡，提高光电探测器的光能密度和红外吸收范围，进而增强了光电探测器的光吸收能力，为红外探测器的研发提供一种新方法。

本发明的另一目的是提供上述等离激元增强的碲镉汞红外探测器的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述等离激元增强的碲镉汞红外探测器的应用。

为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器，自下而上依次包括衬底、金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层；所述碲镉汞材料层上排布有至少1个金属纳米结构和至少1对电极；所述碲镉汞材料层的厚度为2100～4000nm。

本发明的等离激元增强的碲镉汞红外探测器中，金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层以及金属纳米结构形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔，法布里-珀罗(F-P)谐振腔可使受激辐射的光波在其谐振腔体内维持来回振荡，进而提高光电探测器的光能密度和红外吸收范围，增强整个探测器的光吸收能力。

研究发现，法布里-珀罗(F-P)谐振腔中的碲镉汞材料层的厚度对等离激元增强的碲镉汞红外探测器的红外吸收范围大小有较大的影响。特定厚度的碲镉汞材料层能够进一步增强受激辐射的光波在谐振腔体内的来回振荡，提高光能密度和红外吸收范围；如果碲镉汞材料层的厚度低于2100nm，则无法使红外探测器的红外吸收范围拓宽到2500～8000nm；如果碲镉汞材料层的厚度过高，会导致红外探测器的暗电流过高，对信号电流造成干扰，进而降低红外探测器的红外吸收范围。

另外，本发明的等离激元增强的碲镉汞红外探测器无需在苛刻的制冷条件下工作，有利于拓宽碲镉汞红外探测器的应用范围。

本发明对衬底的材料种类没有特殊要求，一般地，本领域常规的衬底及厚度均可用于本发明中。

优选地，所述衬底为硅、碲锌镉、碲化镉、蓝宝石或锗中的一种或多种。

优选地，所述衬底的厚度为425～625μm。

本发明对金属反射层的材料种类和厚度没有特殊要求，选择本领域常规金属及厚度即可。

优选地，所述金属反射层为铝反射层、银反射层、金反射层或铂反射层中的一种或多种。

优选地，所述金属反射层的厚度为100～300nm。

本发明对钝化层的材料种类和厚度没有特殊要求，选择本领域常规绝缘材料及厚度均可与金属反射层、碲镉汞材料层以及金属纳米结构形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。

经过多次试验，发明人发现钝化层的材料种类和厚度几乎不会影响法布里-珀罗(F-P)谐振腔对光波的吸收，也几乎不会影响红外探测器红外吸收范围的变化。

优选地，所述钝化层为二氧化硅钝化层或氧化铝钝化层中的一种或两种。

优选地，所述钝化层的厚度为200～400nm。

本发明的碲镉汞材料层作为光吸收层，它的厚度影响了红外探测器的红外吸收范围，在特定厚度范围内，碲镉汞材料层厚度的提高，进一步增强了受激辐射的光波在谐振腔体内的来回振荡，从而进一步提高红外探测器的光能密度和红外吸收范围；而碲镉汞材料层厚度过低或过高，均达不到该效果。

优选地，所述碲镉汞材料层的厚度为2100～3100nm。

发明人在多次试验过程中发现，金属纳米结构的排布方式和阵列周期的改变几乎不会影响本发明等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收率和红外波长范围。但是金属纳米结构的形状会影响红外探测器的光吸收率和红外波长范围，当金属纳米结构为圆盘状时，红外探测器会有更高的光吸收率和红外波长范围。此外，本领域常用的金属纳米结构材料均可用于本发明中。

优选地，所述金属纳米结构为圆盘状、圆锥状、漏斗状、金字塔形、十字形、矩形、三角形或菱形中的一种或几种。

更优选地，所述金属纳米结构为圆盘状。

优选地，所述金属纳米结构的面积0.1～1.2μm

以圆盘状为例，金属纳米结构的半径为200～600nm。

优选地，所述金属纳米结构呈阵列排布。

更优选地，所述阵列形状为矩形、圆形、三角形或菱形中的一种。

优选地，所述金属纳米结构的数量为1～10000个。

以矩形为例，金属纳米结构的排列方式可为n×m(n为1～100的整数，m为1～100的整数)；该矩形阵列的阵列周期(相邻两个金属纳米结构几何中心之间的距离)为2000～10000nm。

优选地，所述金属纳米结构的材料为金纳米结构、银纳米结构、铂纳米结构或钯纳米结构中的一种或多种。

本发明对电极的材料种类没有特殊要求，一般地，本领域常规的电极材料均可用于本发明中。

优选地，所述电极数量为1～5对。

优选地，所述电极为铬电极、金电极、银电极或钛电极中的一种或多种。

优选地，所述电极的厚度为100～150nm。

本发明还提供上述等离激元增强的碲镉汞红外探测器的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：在衬底上沉积金属反射层；

S2：在金属反射层表面沉积钝化层；

S3：在钝化层表面通过外延生长碲镉汞材料层；

S4：在碲镉汞材料层表面通过微纳加工法制作金属纳米结构和电极，即得等离激元增强的碲镉汞红外探测器。

本发明的制备方法是通过层层组装方式在衬底上依次组装金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层、金属纳米结构和电极，各层次的组装方法均为本领域的常规方法。

优选地，所述S1中沉积的方法为热蒸发法、电子束蒸发法、离子束辅助沉积法或金属磁控溅射。

优选地，所述S2中沉积的方法为化学气相沉积法、分子束外延法或物理气相沉积法。

优选地，所述S3中外延生长的方法为金属有机化合物化学气相沉淀法或分子束外延法。

优选地，所述S4中对金属纳米结构使用的微纳加工法为电子束光刻法；对电极使用的微纳加工法为紫外光刻法、近场扫描法、激光直写法或电子束光刻法。

本发明的等离激元增强的碲镉汞红外探测器具有优异的光吸收能力，可用于制备光电器件。因此，上述等离激元增强的碲镉汞红外探测器在制备光电器件中的应用也应该在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的等离激元增强的碲镉汞红外探测器中，金属反射层、钝化层、碲镉汞材料层以及金属纳米结构构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔，可使受激辐射的光波在其谐振腔体内维持来回振荡，进而提高光电探测器的光能密度和红外吸收范围，增强整个探测器的光吸收和光响应能力，在光电探测器及相关领域具有广泛的应用前景。

此外，法布里-珀罗(F-P)谐振腔中的碲镉汞材料层的厚度对等离激元增强的碲镉汞红外探测器的红外吸收范围大小有较大的影响。特定厚度的碲镉汞材料层能够进一步增强受激辐射的光波在谐振腔体内的来回振荡，提高光能密度和红外吸收范围；如果碲镉汞材料层的厚度低于2100nm，则无法使红外探测器的红外吸收范围拓宽到2500～8000nm；如果碲镉汞材料层的厚度过高，会导致红外探测器的暗电流过高，对信号电流造成干扰，进而降低红外探测器的红外吸收范围。

附图说明

图1为实施例1的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的结构示意图。

图2为实施例1的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的制备流程图。

图3为实施例1的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的金纳米结构示意图。

图4为实施例1的等离激元增强的碲镉汞红外探测器和对比例1的碲镉汞红外探测器的光吸收图。

图5为实施例1～3的等离激元增强的碲镉汞红外探测器和对比例2～3的碲镉汞红外探测器的光吸收图，其中，图A和B分别为对比例2和3的碲镉汞红外探测器的光吸收图，图C、D和E分别为实施例2、1和3的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图。

图6为不同条件下等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图，其中，图A为实施例1和实施例4～7的不同金圆盘阵列周期的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图，图B为实施例1和实施例8～11的不同金圆盘半径的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图，图C为实施例1和实施例12～15的不同金圆盘厚度的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图，图D为实施例1和实施例16～17的不同钝化层厚度的等离激元增强的碲镉汞红外探测器的光吸收图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

本实施例提供一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器，如图1所示，自下而上依次包括衬底1、金属反射层2、钝化层3、碲镉汞材料层4；碲镉汞材料层4上排布有金属纳米结构5和电极6；金属纳米结构5为圆盘状；其中衬底1为硅衬底，厚度为500μm；金属反射层2为金反射层，厚度为200nm；钝化层3为二氧化硅钝化层，厚度为300nm，折射率n

等离激元增强的碲镉汞红外探测器的制备方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

S1：在硅衬底1上沉积金反射层2；

具体地，在500μm厚的硅衬底1上通过电子束蒸发的方式沉积200nm厚的金反射层2；

S2：在金反射层2表面沉积二氧化硅钝化层3；

具体地，在金反射层2表面通过化学气相沉积法生长二氧化硅钝化层3，其中二氧化硅钝化层的厚度为300nm；

S3：在二氧化硅钝化层3表面外延生长碲镉汞材料层4；

具体地，在二氧化硅钝化层3表面通过分子束外延法生长厚度为2700nm的碲镉汞材料层4；

S4：(1)在碲镉汞材料层4表面通过微纳加工法制作金纳米结构5；

具体地，在碲镉汞材料层4表面旋涂PMMA，电子束曝光，使金纳米结构5图案转移到PMMA上，ZX238显影液显影，图案进一步转移到碲镉汞材料层表面；金属磁控溅射沉积厚度为30nm，半径为400nm的金纳米结构5，丙酮清洗去除剩余的PMMA，并用去离子水冲洗，在碲镉汞材料层表面获得设计的金纳米结构，金纳米结构如图3所示；

(2)通过微纳加工法在碲镉汞材料层上制作电极6，即得等离激元增强的碲镉汞红外探测器；

具体地，在碲镉汞材料层4表面旋涂AZ1500光刻胶，通过激光直写将电极图案转移至光刻胶上，通过显影液显影后，热蒸镀沉积10nm的铬层和100nm的金层，使用丙酮清洗去除表面剩余光刻胶，并用去离子水清洗。

实施例2

本实施例提供一种等离激元增强的碲镉汞红外探测器，其中，碲镉汞材料层厚度为2100nm，其余与实施例1一致。