基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，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；其中超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬開環(huán)共振單元陣列，金屬開環(huán)共振單元陣列包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，每個圖形對于特定電磁波具有完全吸收特性，通過改變金屬開環(huán)共振單元的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)可以調(diào)控對應(yīng)的電磁波吸收頻段，通過改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調(diào)控超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的電磁波吸收強度。本實用新型具有多譜、高靈敏度和高速特性，通過選擇不同金屬開環(huán)共振單元結(jié)構(gòu)并進行單片集成可以將探測器工作于遠紅外的多個波段。
【專利說明】基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于信號探測【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器。

【背景技術(shù)】
[0002]遠紅外探測在機場安檢系統(tǒng)、材料檢測、空間信號探測、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。常見的遠紅外探測器主要包括溫度探測器、高溫超導(dǎo)探測器，以及由硅或砷化鎵制成的半導(dǎo)體探測器。這幾類探測器原理成熟，已經(jīng)實用化。
[0003]然而，在要求高速和高靈敏度信號探測的場合下，現(xiàn)有遠紅外探測器存在以下問題:1、遠紅外探測器的譜成像裝置仍需配置復(fù)雜精密的飼服、驅(qū)動或掃描機構(gòu)，體積和質(zhì)量大；2、遠紅外探測器響應(yīng)速度較慢；3、遠紅外探測器光譜探測波長不能更改。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其目的在于，解決現(xiàn)有遠紅外信號探測器中存在的體積大、響應(yīng)慢、光譜探測波長不能更改的技術(shù)問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，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，超材料層與N型砷化鎵層形成肖特基接觸，超材料層包括多個可以以任意方式排列的金屬開環(huán)共振單元陣列，且為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，金屬開環(huán)共振單元陣列的金屬開環(huán)共振單元開孔間距t = 80?200nm,線寬d = 200?600nm,周期L = 500?2000nm。
[0006]優(yōu)選地，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
[0007]優(yōu)選地，襯底層的材料是半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
[0008]優(yōu)選地，歐姆電極的材料是鎳、鍺、以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nmo
[0009]優(yōu)選地，肖特基電極的材料是鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
[0010]優(yōu)選地，當(dāng)超材料層用于電磁信號探測時，其周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期應(yīng)該遠小于電磁信號的波長。
[0011]優(yōu)選地，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200 ?250nm。
[0012]總體而言，通過本實用新型所構(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:
[0013]1、本實用新型基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器體積小:由于所述超材料的制作采用微納米光刻工藝，在1_2尺寸內(nèi)可以集成數(shù)千個金屬開環(huán)共振單元，將多種圖形構(gòu)成的金屬開環(huán)共振單元陣列集成在一起，也只需要I?2cm2的空間，因此基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器體積很小、重量很輕；
[0014]2、本實用新型基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器響應(yīng)速度較快:由于超材料層的金屬開環(huán)共振單元具有完全吸收對應(yīng)波段電磁信號的能力，一旦與對應(yīng)遠紅外波段信號產(chǎn)生共振，其共振響應(yīng)速度屬于超高速響應(yīng)，能夠在極短時間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)信號。
[0015]3、本實用新型基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器只需要交流信號發(fā)生器等少量電子資源輔助其進行工作，從而節(jié)省了外圍電路資源。
[0016]4、由于超材料層可以任意增加新的金屬開環(huán)共振單元陣列，因此本實用新型提供了一種可根據(jù)實際需要擴展信號探測范圍的能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型中探測器的一可選實施方案的縱向剖面示意圖。
[0018]圖2是本實用新型中探測器的一可選實施方案的俯視示意圖。
[0019]圖3是本實用新型超材料層的示意圖。
[0020]圖4是本實用新型超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0021]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實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。
[0022]本實用新型的一個方面在于提供一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，如圖1所示，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和一對肖特基電極61和62。其中，N型砷化鎵層2設(shè)置于襯底層I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61和62設(shè)置于二氧化硅層3上面，歐姆電極5和一對肖特基電極61和62分別設(shè)置于超材料層4的左右兩端。
[0023]超材料層4為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
[0024]肖特基二極管的襯底可選用但不限于半絕緣砷化鎵，還可以是硅、三氧化二鋁等。
[0025]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。
[0026]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，具有對特定電磁波的完全吸收性能，可以通過調(diào)整周期性微納金屬結(jié)構(gòu)的尺寸對其工作波段進行優(yōu)化。
[0027]當(dāng)超材料層4用于電磁信號探測時，超材料層4采用的周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期應(yīng)該遠小于對應(yīng)信號的波長，從而滿足亞波長器件的實際工作性能。
[0028]如圖2和3所示，超材料層4包括多個金屬開環(huán)共振單元陣列41、42、43、44、45和46(應(yīng)該理解圖示的數(shù)量并不應(yīng)被理解為限制該陣列的數(shù)量，該陣列的數(shù)量是大于或等于2的整數(shù))，其中金屬開環(huán)共振單元陣列41?46的共振頻率分別對應(yīng)于一個特定的遠紅外波長。為了清晰地展示工作于遠紅外波段的超材料結(jié)構(gòu)和特征尺寸參數(shù)，本實施例將超材料層4中的金屬開環(huán)共振單元陣列41進行了放大，如圖4所示。金屬開環(huán)共振單元陣列41的金屬開環(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)工作于遠紅外波段時，開孔間距t = 80?200nm，線寬d =200?600nm,周期L = 500?2000nm,中間連線傾角Θ = O?90度，中間連線長度p =300?2000nm，中間連線寬度f彡d/4。
[0029]上述由不同圖形組成的金屬開環(huán)共振單元陣列等效為多個LC共振電路，當(dāng)目標(biāo)電磁波信號7垂直入射到超材料層4后，這些LC共振電路將與遠紅外波段內(nèi)特定波長的電磁波產(chǎn)生共振，吸收入射電磁波7中相應(yīng)波長的能量，進而使得金屬開環(huán)共振單元發(fā)熱升溫，由于金屬開環(huán)共振單元中間連接線區(qū)域又細又長，共振時的表面電流經(jīng)過該區(qū)域時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環(huán)共振單元金屬的電阻率；通過施加2V交流電壓于一對肖特基電極61和62上，當(dāng)交流電壓峰峰值變化幅度超過設(shè)定閾值時，表明該金屬開環(huán)共振單元探測到了對應(yīng)波長的信號，如有多個交流電壓峰峰值變化幅度超過設(shè)定閾值時，表明有多個金屬開環(huán)共振單元探測到了對應(yīng)波長的信號；通過施加O?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對入射電磁波7的吸收效率，并進一步增大金屬開環(huán)共振單元的電阻率，從而使得肖特基電極61和62檢測到的交流電壓峰峰值更加明顯，實現(xiàn)遠紅外多譜信號的探測。
[0030]本實用新型基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器的制備方法包括如下步驟:
[0031](I)在襯底層I上通過金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層2，其厚度為Ium?2um ；
[0032](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層3，其厚度為300nm?400nm ；
[0033](3)在二氧化硅層3上通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進行腐蝕處理，通過負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，對具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火，以形成歐姆電極5 ；
[0034](4)在二氧化硅層3上通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層3，通過負膠工藝光刻肖特基電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層(其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/Au層進行剝離，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6，超材料層4直接與N型砷化鎵層2接觸，肖特基電極6設(shè)置于二氧化硅層3上,且肖特基電極61和62和超材料層4之間的距離為Imm?1.5mm。
[0035]因此，本實用新型采用了肖特基二極管結(jié)構(gòu)，其以超材料層的金屬開環(huán)共振單元陣列作為完全吸光介質(zhì)，通過電阻率的變化導(dǎo)致交流信號峰峰值的改變獲得超寬譜域信號探測能力；同時可以通過優(yōu)化設(shè)計金屬開環(huán)共振單元的特征尺寸參數(shù)與形狀，獲得更多工作于遠紅外波段的吸光超材料。將上述若干金屬開環(huán)共振單元陣列進行分組編號，分別對應(yīng)于遠紅外波長1、遠紅外波長2、遠紅外波長3，……，遠紅外波長N，其中N為金屬開環(huán)共振單元陣列的數(shù)量，通過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，實現(xiàn)遠紅外多譜信號探測器。
[0036]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超材料的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，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，超材料層與N型砷化鎵層形成肖特基接觸，超材料層包括多個可以以任意方式排列的金屬開環(huán)共振單元陣列，且為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，金屬開環(huán)共振單元陣列的金屬開環(huán)共振單元開孔間距t = 80?200nm,線寬 d = 200 ?600nm,周期 L = 500 ?2000nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，襯底層的材料是半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，歐姆電極的材料是鎳、鍺、以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，肖特基電極的材料是鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，當(dāng)超材料層用于電磁信號探測時，其周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期應(yīng)該遠小于電磁信號的波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基型遠紅外多譜信號探測器，其特征在于，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200?250nm。
【文檔編號】H01L31/108GK204067399SQ201420515068
【公開日】2014年12月31日 申請日期: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? 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)