基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層與超材料層、歐姆電極和肖特基電極。超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列，所述金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列包含了一種圖形及其特征尺寸參數(shù)，該圖形對(duì)于遠(yuǎn)紅外電磁波具有完全吸收特性，通過(guò)改變金屬開(kāi)環(huán)共振單元的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)可以調(diào)控對(duì)應(yīng)的電磁波吸收頻段，通過(guò)改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調(diào)控超材料層中金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列的電磁波吸收強(qiáng)度。本發(fā)明具有高靈敏度和高速特性，通過(guò)選擇特定金屬開(kāi)環(huán)共振單元結(jié)構(gòu)可以將探測(cè)器工作于遠(yuǎn)紅外的一個(gè)特定波段。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信 號(hào)探測(cè)器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 遠(yuǎn)紅外探測(cè)在機(jī)場(chǎng)安檢系統(tǒng)、材料檢測(cè)、空間信號(hào)探測(cè)、航天航空和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等 眾多領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用。常見(jiàn)的遠(yuǎn)紅外探測(cè)器主要包括溫度探測(cè)器、高溫超導(dǎo)探測(cè)器， 以及由硅或砷化鎵制成的半導(dǎo)體探測(cè)器。這幾類(lèi)探測(cè)器原理成熟，已經(jīng)實(shí)用化。
[0003] 然而，在要求高速和高靈敏度信號(hào)探測(cè)的場(chǎng)合下，現(xiàn)有遠(yuǎn)紅外探測(cè)器存在以下問(wèn) 題：1、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的譜成像裝置仍需配置復(fù)雜精密的飼服、驅(qū)動(dòng)或掃描機(jī)構(gòu)，體積和質(zhì)量 大；2、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器響應(yīng)速度較慢；3、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器光譜探測(cè)波長(zhǎng)不能更改。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單 譜信號(hào)探測(cè)器及其制備方法，其目的在于，解決現(xiàn)有遠(yuǎn)紅外信號(hào)探測(cè)器中存在的體積大、響 應(yīng)慢、光譜探測(cè)波長(zhǎng)不能更改的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜 信號(hào)探測(cè)器，包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆 電極和一對(duì)肖特基電極，歐姆電極和肖特基電極分別設(shè)置于超材料層的左右兩端，超材料 層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，用于完全吸收遠(yuǎn)紅外電磁波，超材料層包括一個(gè)金 屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列，每個(gè)金屬開(kāi)環(huán)共振單元的開(kāi)孔間距t = 80?200nm，線寬d = 200? 600nm，周期 L = 500 ?2000nm。
[0006] 優(yōu)選地，襯底層為半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
[0007] 優(yōu)選地，歐姆電極5的材料是鎳、鍺以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和 20_30nm 〇
[0008] 優(yōu)選地，肖特基電極的材料為鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200-250nm。
[0009] 優(yōu)選地，超材料層與N型砷化鎵層形成肖特基接觸。
[0010] 優(yōu)選地，當(dāng)超材料層用于電磁信號(hào)探測(cè)時(shí)，其采用的周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期遠(yuǎn) 小于電磁信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0011] 優(yōu)選地，金屬開(kāi)環(huán)共振單元制作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200? 250nm。
[0012] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的制備 方法，包括如下步驟：
[0013] (1)在襯底層上通過(guò)金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為 1 X 1016cm_3?9 X 1018cm_3,由此形成N型砷化鎵層；
[0014] (2)在N型砷化鎵層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層；
[0015] (3)在二氧化硅層上通過(guò)正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)歐姆 電極接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，通過(guò)負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā) 堆疊在一起的Ni/Ge/Au層，將Ni/Ge/Au層進(jìn)行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層的歐姆電 極，對(duì)具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火，以形成歐姆電極；
[0016] (4)在二氧化硅層上通過(guò)正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)肖特基 接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層，通過(guò)負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，采用電子束蒸發(fā) 的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層，將Ni/Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層 的超材料層和肖特基電極，其中超材料層直接與N型砷化鎵層接觸，肖特基電極設(shè)置于二 氧化硅層上，且肖特基電極和超材料層之間的距離為1mm?1.5mm。
[0017] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0018] 1、本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器體積?。河捎谒龀牧系闹谱鞑?用微納米光刻工藝，在1_ 2尺寸內(nèi)可以集成數(shù)千個(gè)金屬開(kāi)環(huán)共振單元，因此基于超材料的 遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器體積很小、重量很輕；
[0019] 2、本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器響應(yīng)速度較快：由于超材料層的金 屬開(kāi)環(huán)共振單元具有完全吸收對(duì)應(yīng)波段電磁信號(hào)的能力，一旦與對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)紅外波段信號(hào)產(chǎn)生 共振，其共振響應(yīng)速度屬于超高速響應(yīng)，能夠在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。
[0020] 3、本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器只需要交流信號(hào)發(fā)生器等少量電 子資源輔助其進(jìn)行工作，從而節(jié)省了外圍電路資源。
[0021] 4、本發(fā)明可以通過(guò)修改金屬開(kāi)環(huán)共振單元的圖形參數(shù)，改變金屬開(kāi)環(huán)共振單元的 共振頻率，因此提供了一種可根據(jù)實(shí)際需要改變信號(hào)探測(cè)波長(zhǎng)的能力。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的縱向剖面示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的俯視示意圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的超材料層中金屬開(kāi)環(huán)共振 單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026] 本發(fā)明的基本思路在于，本發(fā)明可根據(jù)所設(shè)計(jì)的金屬開(kāi)環(huán)共振單元對(duì)應(yīng)的電磁共 振頻率，通過(guò)超材料層中的金屬開(kāi)環(huán)共振單元的電磁共振導(dǎo)致金屬發(fā)熱改變金屬電阻率實(shí) 現(xiàn)電磁波信號(hào)的能量收集，并通過(guò)外接交流信號(hào)將電阻率的變化提取出來(lái)，從而探測(cè)特定 遠(yuǎn)紅外信號(hào)。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器包括自下而上依次設(shè)置 的襯底層1、N型砷化鎵層2、二氧化硅層3、超材料層4、歐姆電極5和一對(duì)肖特基電極61 和62。其中，N型砷化鎵層2設(shè)置于襯底層1上面，二氧化硅層3設(shè)置于N型砷化鎵層2上 面，超材料層4設(shè)置于N型砷化鎵層2上面，歐姆電極5設(shè)置于N型砷化鎵層2上面，肖特 基電極6設(shè)置于二氧化硅層3上面，歐姆電極5和一對(duì)肖特基電極61和62分別設(shè)置于超 材料層4的左右兩端。
[0028] 超材料層4為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，該周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層包 含一種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對(duì)于遠(yuǎn)紅外電磁波具有完全吸收特性。
[0029] 襯底層可選用但不限于半絕緣砷化鎵，還可以是硅、三氧化二鋁等。
[0030] 肖特基二極管的歐姆電極5可選用但不限于鎳、鍺、金，其厚度優(yōu)選為20-30nm、 200-300nm和20-30nm ;肖特基電極61和62可選用但不限于鈦、金，其厚度優(yōu)選為20-30nm 和 200-250nm。
[0031] 超材料層4由周期性微納金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，具 有對(duì)遠(yuǎn)紅外電磁波的完全吸收性能，可以通過(guò)調(diào)整周期性微納金屬結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)其工作波 段進(jìn)行優(yōu)化。
[0032] 當(dāng)超材料層4用于電磁信號(hào)探測(cè)時(shí)，超材料層4采用的周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期 應(yīng)該遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)信號(hào)的波長(zhǎng)，從而滿(mǎn)足亞波長(zhǎng)器件的實(shí)際工作性能。
[0033] 如圖2所示，超材料層4包括一個(gè)金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列41，其中41的共振頻率 對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)。為了清晰地展示工作于遠(yuǎn)紅外波段的超材料結(jié)構(gòu)和特征尺 寸參數(shù)，本實(shí)施例將超材料層4中的金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列41進(jìn)行了放大，如圖3所示。 41的金屬開(kāi)環(huán)共振單元制作材料為鈦、金，厚度分別為20?30nm和200?250nm，與N型 砷化鎵層2形成肖特基接觸，當(dāng)工作于遠(yuǎn)紅外波段時(shí)，開(kāi)孔間距t = 80?200nm，線寬d = 200?600nm，外圍寬度L = 500?2000nm，中間連線傾角Θ =〇?90度，中間連線長(zhǎng)度p =300?2000nm，中間連線寬度f(wàn)彡d/4。
[0034] 上述由一種圖形組成的金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列等效為一個(gè)LC共振電路，當(dāng)目標(biāo) 電磁波信號(hào)7垂直入射到超材料層4后，這些LC共振電路將與遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)特定波長(zhǎng)的 電磁波產(chǎn)生共振，吸收入射電磁波7中相應(yīng)波長(zhǎng)的能量，進(jìn)而使得金屬開(kāi)環(huán)共振單元發(fā)熱 升溫，由于金屬開(kāi)環(huán)共振單元中間連接線區(qū)域又細(xì)又長(zhǎng)，共振時(shí)的表面電流經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí) 由于電阻的突然變大必然導(dǎo)致溫度迅速升高，從而迅速改變金屬開(kāi)環(huán)共振單元金屬的電阻 率；通過(guò)施加2V交流電壓于一對(duì)肖特基電極61和62上，當(dāng)交流電壓峰峰值變化幅度超過(guò) 設(shè)定閾值時(shí)，表明該金屬開(kāi)環(huán)共振單元探測(cè)到了對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的信號(hào)；通過(guò)施加〇?5V反向直 流偏壓于肖歐姆電極5上，使得超材料層4的金屬與N型砷化鎵層2接觸區(qū)域的耗盡層寬 度增大，提高超材料層4對(duì)入射電磁波7的吸收效率，并進(jìn)一步增大金屬開(kāi)環(huán)共振單元的電 阻率，從而使得肖特基電極61和62檢測(cè)到的交流電壓峰峰值更加明顯，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外單譜信 號(hào)的探測(cè)。
[0035] 本發(fā)明基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的制備方法包括如下步驟：
[0036] (1)在襯底層1上通過(guò)金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為 1 X 1016cm_3?9 X 1018cm_3,由此形成N型砷化鎵層2,其厚度為lum?2um ;
[0037] (2)在N型砷化鎵層2上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層3,其 厚度為300nm?400nm ;
[0038] (3)在二氧化硅層3上通過(guò)正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)歐 姆電極接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，通過(guò)負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次 蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Ge/Au層（其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)，將Ni/Ge/ Au層進(jìn)行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層（其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm) 的歐姆電極，對(duì)具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火，以形成歐姆電極5 ;
[0039] (4)在二氧化硅層3上通過(guò)正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)肖特 基接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層3,通過(guò)負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，采用電子束 蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層（其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/ Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層（其厚度分別為200nm/20nm)的超材料層4和 肖特基電極61、62,其中超材料層4直接與N型砷化鎵層2接觸，肖特基電極61、62設(shè)置于 二氧化娃層3上，且肖特基電極61、62和超材料層4之間的距離為1mm?1. 5mm。
[0040] 因此，本發(fā)明采用了肖特基二極管結(jié)構(gòu)，其以超材料層的金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列 作為完全吸光介質(zhì)，通過(guò)電阻率的變化導(dǎo)致交流信號(hào)峰峰值的改變獲得信號(hào)探測(cè)能力；通 過(guò)上述制備方案集成于以單片砷化鎵為襯底的肖特基二極管中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè) 器。
[0041] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、N型 砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極和一對(duì)肖特基電極，其特征在于，歐姆電極和肖 特基電極分別設(shè)置于超材料層的左右兩端，超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層， 用于完全吸收遠(yuǎn)紅外電磁波，超材料層包括一個(gè)金屬開(kāi)環(huán)共振單元陣列，每個(gè)金屬開(kāi)環(huán)共 振單兀的開(kāi)孔間距t = 80?200nm，線寬d = 200?600nm，周期L = 500?2000nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，襯底層為半絕緣砷化 鎵、硅、或三氧化二鋁。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，歐姆電極5的材料是 鎳、鍺以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20-30nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，肖特基電極的材料為 鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200-250nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，超材料層與N型砷化鎵 層形成肖特基接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，當(dāng)超材料層用于電磁 信號(hào)探測(cè)時(shí)，其采用的周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期遠(yuǎn)小于電磁信號(hào)的波長(zhǎng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器，其特征在于，金屬開(kāi)環(huán)共振單元制 作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200?250nm。
8. -種根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的基于超材料的遠(yuǎn)紅外單譜信號(hào)探測(cè)器的 制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在襯底層上通過(guò)金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為 1 X 1016cm_3?9 X 1018cm_3,由此形成N型砷化鎵層； (2) 在N型砷化鎵層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層； (3) 在二氧化硅層上通過(guò)正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)歐姆電極 接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，通過(guò)負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊 在一起的Ni/Ge/Au層，將Ni/Ge/Au層進(jìn)行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層的歐姆電極，對(duì) 具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火，以形成歐姆電極； (4) 在二氧化硅層上通過(guò)正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對(duì)肖特基接觸 孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層，通過(guò)負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，采用電子束蒸發(fā)的方 式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層，將Ni/Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層的超 材料層和肖特基電極，其中超材料層直接與N型砷化鎵層接觸，肖特基電極設(shè)置于二氧化 硅層上，且肖特基電極和超材料層之間的距離為1mm?1. 5mm。
【文檔編號(hào)】H01L31/108GK104218116SQ201410454835
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】羅俊, 別業(yè)華, 李維軍, 張新宇, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張?zhí)煨? 謝長(zhǎng)生 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)