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CN113517363B - 红外光电探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种红外光电探测器，涉及光电技术领域，红外光电探测器包括本征衬底层、以及位于本征衬底层一侧的纳米线、金属线和电极，由于本征衬底层和纳米线均包括锗锡材料，因此不仅增强了半导体材料本征吸收，也能够扩展中红外探测器的光响应截止波长；同时，金属线结构与纳米线结构的引入可有效提高光电探测器在红外通信波段的响应度，拓宽光电探测器的探测范围。此外，纳米线包括多条第一纳米线和多条第二纳米线、且多条第一纳米线与多条第二纳米线垂直，此种设计方式可使红外光电探测器呈对称结构，当入射光在0到360°之间变化时，红外光电探测器的光吸收性能基本上不发生变化，保证了红外光电探测器的可靠性。

Description

红外光电探测器及其制作方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种红外光电探测器及其制作方法。
背景技术
短波红外光电探测器因其在光纤通讯、片上光互连和遥感等领域广泛的应用前景而引起了人们越来越多的关注。IV族材料具备与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的特性，因而在众多的红外探测器材料竞争中占据优势。但对于传统Si、Ge材料，其光探测的截止波长分别位于1100nm和1600nm，在应用最为广泛的红外通信窗口1550nm处无响应或响应很低，在波长更长的红外波段响应几乎为零。
为此，基于IV族GeSn合金材料的红外光电探测器应运而生。相关技术中，将Sn掺入Ge晶格中形成GeSn合金，在适当Sn组分下，GeSn合金能够转变为直接带隙材料，并且随着Sn组分不断增加，GeSn合金的带隙将不断减小，有助于提高光吸收并扩展材料的光响应截止波长。
然而，GeSn红外光电探测器响应度不够高、信噪比差等问题仍然突出，进而导致其无法满足红外通信波段的探测需求。因此，在确保工艺可行性和控制制造成本的基础上，如何增强GeSn红外光电探测器在红外通信波段的探测效率是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种红外光电探测器及其制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种红外光电探测器，包括：
本征衬底层；
位于所述本征衬底层一侧的纳米线、金属线和电极；
其中，所述纳米线包括多条第一纳米线、以及与所述第一纳米线垂直的多条第二纳米线，所述第一纳米线与所述第二纳米线交叉形成多个单元格，所述本征衬底层和所述纳米线包括锗锡材料；
所述金属线位于所述单元格内；所述金属线包括第一金属线和第二金属线，所述第一金属线与所述第一纳米线的延伸方向相同，所述第二金属线与所述第二纳米线的延伸方向相同；
所述电极包括第一电极和第二电极；在所述第二纳米线的延伸方向上，距离最远的两条第一纳米线分别与所述第一电极和所述第二电极接触，或者在所述第一纳米线的延伸方向上，距离最远的两条第二纳米线分别与所述第一电极和所述第二电极接触。
在本发明的一个实施例中，所述第一纳米线与所述第二纳米线的数量相同，各所述单元格包括两条第一金属线和两条第二金属线。
在本发明的一个实施例中，所述金属线的制作材料包括金、银中的至少一种。
在本发明的一个实施例中，所述纳米线和所述金属线的占空比相等。
在本发明的一个实施例中，所述纳米线和所述金属线的占空比均为1/8。
在本发明的一个实施例中，所述单元格为正方形，所述正方形的边长为0.3μm；
沿垂直于所述本征衬底层所在平面的方向，所述纳米线的高度为0.3μm，所述金属线的高度为115.3nm。
在本发明的一个实施例中，所述电极的制作材料包括金、银、铝中的至少一种。
在本发明的一个实施例中，所述锗锡材料中的锡组分为1％～10％。
第二方面，本发明提供一种红外光电探测器的制作方法，包括：
提供本征衬底层，所述本征衬底层包括锗锡材料；
在所述本征衬底层的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，并按照预设温度及预设时长进行加热；
利用电子束对所述本征衬底层表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
在蚀刻掩膜机中，利用蚀刻掩膜进行氯基等离子体反应离子蚀刻，形成纳米线后，在异丙醇中漂洗，并在压缩氮气中干燥；
在所述纳米线的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，按照预设温度及预设时长进行加热后，进行电子束曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
利用电子束蒸发系统，在所述本征衬底层的表面依次沉积厚度为2nm的铬薄膜和厚度为100nm的金薄膜，形成金属线；
在丙酮中去除杂质，获得制作完成的红外光电探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的红外光电探测器包括本征衬底层、以及位于本征衬底层一侧的纳米线、金属线和电极，由于本征衬底层和纳米线均包括锗锡材料，因此不仅增强了半导体材料本征吸收，也能够扩展中红外探测器的光响应截止波长；同时，纳米线结构的引入可有效提高光电探测器在红外通信波段的响应度，拓宽光电探测器的探测范围。
(2)在本发明提供的红外光电探测器中，纳米线包括多条第一纳米线和多条第二纳米线、且多条第一纳米线与多条第二纳米线垂直，此种设计方式可使红外光电探测器呈对称结构，当入射光在0到360°之间变化时，红外光电探测器的光吸收性能基本上不发生变化，即对光源偏振不敏感，从而保证了红外光电探测器的可靠性。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的红外光电探测器的一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的红外光电探测器的一种俯视图；
图3是本发明实施例提供的红外光电探测器的另一种俯视图；
图4是本发明实施例提供的红外光电探测器的一种光吸收谱对比图；
图5是本发明实施例提供的红外光电探测器中纳米线吸收率与光源偏振的关系示意图；
图6是本发明实施例提供的红外光电探测器的制作方法的一种流程示意图。
具体实施方式
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。
图1是本发明实施例提供的红外光电探测器的一种结构示意图，图2和图3是本发明实施例提供过的红外光电探测器的一种俯视图。请结合图1-3，本发明实施例提供的红外光电探测器100，包括：
本征衬底层10；
位于本征衬底层10一侧的纳米线20、金属线30和电极40；
其中，纳米线20包括多条第一纳米线201、以及与第一纳米线201垂直的多条第二纳米线202，第一纳米线201与第二纳米线202交叉形成多个单元格203，本征衬底层10和纳米线20包括锗锡材料；
金属线30位于单元格203内；金属线30包括第一金属线301和第二金属线302，第一金属线301与第一纳米线201的延伸方向相同，第二金属线302与第二纳米线202的延伸方向相同；
电极40包括第一电极401和第二电极402，电极40的制作材料包括金、银、铝中的至少一种；在第二纳米线202的延伸方向上，距离最远的两条第一纳米线201分别与第一电极401和所述第二电极402接触，或者在第一纳米线201的延伸方向上，距离最远的两条第二纳米线202分别与第一电极401和第二电极402接触。
本实施例中，红外光电探测器100包括本征衬底层10、以及位于本征衬底层10一侧的纳米线20、金属线30和电极40，其中，纳米线20包括多条第一纳米线201和多条第二纳米线202，且第一纳米线201与第二纳米线202相互垂直。应当理解，如图2所示，将第一纳米线201与第二纳米线202垂直设计，能够使上述红外光电探测器100分别在第一方向x、第二方向y和第三方向z呈对称结构。这样，当入射光的偏振角在0到360°之间变化时，红外光电探测器100的光吸收性能基本上不发生变化，即对光源偏振不敏感，有利于保证红外光电探测器100的可靠性。
需要说明的是，第一方向x为第一纳米线201的延伸方向、第二方向y为第二纳米线202的延伸方向、第三方向z为本征衬底层10的对角线方向。
可选地，本征衬底层10与纳米线20包括锗锡材料，也就是说，本实施例提供的红外光电探测器100以锗锡作为主要制备材料，与传统的VI族硅、锗材料相比，锗锡合金材料的应用将红外光电探测器100的光响应截止波长扩展至2000nm甚至更长波长处，使本征吸收系数更高；并且，纳米线20结构的引入也能够提高红外光电探测器100在红外通信波段的响应度，进而拓宽红外光电探测器100的探测范围。
进一步地，红外光电探测器100还包括第一电极401和第二电极402，示例性地，如图3所示，在第二纳米线202的延伸方向上，距离最远的两条第一纳米线201分别与第一电极401和所述第二电极402接触，从而通过第一电极401和第二电极402为红外光电探测器100供电。当然，在本发明的一些其他实施例中，第一电极401和第二电极402也可以采用其他设置方式；例如，请参见图2，在第一纳米线201的延伸方向上，距离最远的两条第二纳米线202分别与第一电极401和第二电极402接触。
请继续参见图1-3，多条第一纳米线201与多条第二纳米线202交叉形成多个单元格203，每个单元格203内设有金属线30，金属线30包括第一金属线301和第二金属线302，第一金属线301与第一纳米线201的延伸方向相同，第二金属线302与第二纳米线202的延伸方向相同，即第一金属线301与第二金属线302也是相互垂直的。本实施例中，金属线30用于产生等离激元共振，由于等离激元共振与红外光电探测器100的光吸收能力有关，因而设置金属线30后，上述红外光电探测器100可具备两种光吸收机制，分别为：锗锡材料的本征吸收和金属线30内部电子的热电子吸收，从而显著增强红外光电探测器100的光吸收能力，并保证其可靠性。
可选地，第一纳米线201与第二纳米线202的数量相同，各单元格203包括两条第一金属线301和两条第二金属线302。
本实施例中，位于本征衬底层10一侧的第一金属线301与第二金属线302的数量相同，可选地，在第一纳米线201的延伸方向上，任意两条相邻的第二纳米线202之间的间距相等，在第二纳米线202的延伸方向上，任意两条相邻的第一纳米线201之间的间距相等，并且，各单元格203内包括两条第一金属线301和两条第二金属线302。此种设计方式使红外光电探测器100呈高度对称结构，即使入射光的偏振角在0到360°之间变化，红外光电探测器100也具备对光源偏振不敏感的特性。另一方面，单元格203中的金属线30能够产生等离激元共振，本实施例在每个单元格203内设置两条第一金属线301和两条第二金属线302，有利于使产生等离激元共振的位置增多，从而进一步改善红外光电探测器100的光吸收能力。
需要说明的是，每个单元格203内金属线30的数量应当视实际情况灵活调整，例如各单元格203中可包含三条第一金属线301和三条第二金属线302，本申请对此不做限定。
本实施例中，锗锡材料中的锡组分为1％～10％。
一般来说，锡锗材料中的锡组分越高、红外光电探测器100的光响应截止波长越长，但受到工艺限制，锡组分过高在制备时难以实现。因此，本实施例将锗锡材料中的锡组分设置为1％～10％，一方面可避免过低的锡组分使光响应截止波长变小，另一方面也能够在制备工艺可行的基础上，最大程度提高光响应截止波长，从而将上述红外光电探测器100的光响应截止波长扩展至2000nm以上。
本实施例中，金属线30的制作材料包括金、银中的至少一种。
可选地，纳米线20和金属线30的占空比相等。例如，纳米线20和金属线30的占空比均为1/8。
其中，占空比是指在每个单元格203内，纳米线20或者金属线30的宽度与单元格边长之比。
本实施例中，单元格203为正方形，正方形的边长为0.3μm；
沿垂直于本征衬底层10所在平面的方向，纳米线20的高度为0.3μm，金属线30的高度为115.3nm。
可以理解的是，为了使纳米线20结构的谐振波长(等离增强波长)为目标波长，需要根据目标波长设置单元格203的边长、纳米线20的高度和金属线30的高度。图4是本发明实施例提供的红外光电探测器100的一种光吸收谱对比图，其中，横轴表示等离增强波长、纵轴表示光吸收率。以目标波长是2μm为例，此时设置单元格203的边长为0.3μm、纳米线20的高度为0.3μm、金属线30的高度为115.3nm，红外光电探测器100的光吸收谱如图4中曲线1所示，显然，相比于锗锡平面结构(曲线2)和设置有纳米线20的锗锡结构(曲线3)，本实施例中的结构在2μm处出现了一个尖锐的吸收峰，对应的吸收率可以接近100％。显然，本发明提供的红外光电探测器100只要通过合理地参数设计，即可获得在特定波长处的超高吸收率。
图5是本发明实施例提供的红外光电探测器中纳米线吸收率与光源偏振的关系示意图。在实现2μm超高吸收率的基础上，本实施例在结构上的高度对称性使其在不同偏振角度的入射光照射下吸收率保持不变即对光源的偏振不敏感，如图5所示，对于上述等离增强波长为2μm的结构，在入射光偏振角从0°到360°的变化过程中其光吸收始终接近于1。
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的红外光电探测器包括本征衬底层、以及位于本征衬底层一侧的纳米线、金属线和电极，由于本征衬底层和纳米线均包括锗锡材料，因此不仅增强了半导体材料本征吸收，也能够扩展中红外探测器的光响应截止波长；同时，金属线结构与纳米线结构的引入可有效提高光电探测器在红外通信波段的响应度，拓宽光电探测器的探测范围。
(2)在本发明提供的红外光电探测器中，纳米线包括多条第一纳米线和多条第二纳米线、且多条第一纳米线与多条第二纳米线垂直，此种设计方式可使红外光电探测器呈对称结构，当入射光在0到360°之间变化时，红外光电探测器的光吸收性能基本上不发生变化，即对光源偏振不敏感，从而保证了红外光电探测器的可靠性。
如图6所示，本发明提供一种红外光电探测器的制作方法，包括：
S601、提供本征衬底层，本征衬底层包括锗锡材料；
S602、在本征衬底层的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，并按照预设温度及预设时长进行加热；
S603、利用电子束对本征衬底层表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
S604、在蚀刻掩膜机中，利用蚀刻掩膜进行氯基等离子体反应离子蚀刻，形成纳米线后，在异丙醇中漂洗，并在压缩氮气中干燥；
S605、在纳米线的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，按照预设温度及预设时长进行加热后，进行电子束曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
S606、利用电子束蒸发系统，在本征衬底层的表面依次沉积厚度为2nm的铬薄膜和厚度为100nm的金薄膜，形成金属线；
S607、在丙酮中去除杂质，获得制作完成的红外光电探测器。
其中，预设厚度为300nm、预设温度为180℃、预设时长为90s。
本实施例中，首先在本征衬底层上旋涂300nm厚的PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，并在180℃的热板上加热90s，然后利用电子束曝光本征衬底层表面的PMMA。曝光后的PMMA在4-甲基-2-戊醇/异丙醇(1:3)溶液显影100s，然后在异丙醇溶液中定影30s。
步骤S604中，使用蚀刻掩模在蚀刻机中进行氯基等离子体反应离子蚀刻(RIE)，形成包含锡锗材料的纳米线，之后在充足异丙醇中漂洗并在压缩N2中干燥，接着在所得纳米线结构上旋涂厚度为300nm的PMMA，其次在180℃的热板上加热90s，然后再次进行电子束曝光，曝光后的PMMA在4-甲基-2-戊醇/异丙醇(1:3)溶液显影100s，在异丙醇溶液中定影30s。
步骤S606中，将定影后的PMMA立即转移到电子束蒸发系统中，在本征衬底层表面先沉积厚度为2nm的铬薄膜、再沉积厚度为100nm的金薄膜，制作得到金属线。步骤S607中，在60℃的丙酮中去除杂质，并在充足的异丙醇中漂洗、在压缩N2中干燥，获得制作完成的红外光电探测器。
应当理解，上述步骤S606中，首先在本征衬底层的表面沉积厚度为2nm的铬薄膜，可增强衬底层的粘附性，随后再沉积厚度为100nm的金薄膜，从而有效避免了金薄膜从本征衬底层的锗锡材料上脱落。
可见，采用上述方法制作而成的红外光电探测器中，由于本征衬底层和纳米线均包括锗锡材料，因此不仅增强了半导体材料本征吸收，也能够扩展中红外探测器的光响应截止波长；同时，纳米线结构的引入可有效提高光电探测器在红外通信波段的响应度，拓宽光电探测器的探测范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
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。

Claims (9)

1.一种红外光电探测器，其特征在于，包括：
本征衬底层；
位于所述本征衬底层一侧的纳米线、金属线和电极；
其中，所述纳米线包括多条第一纳米线、以及与所述第一纳米线垂直的多条第二纳米线，所述第一纳米线与所述第二纳米线交叉形成多个单元格，所述本征衬底层和所述纳米线包括锗锡材料；
所述金属线位于所述单元格内；所述金属线包括第一金属线和第二金属线，所述第一金属线与所述第一纳米线的延伸方向相同，所述第二金属线与所述第二纳米线的延伸方向相同；
所述电极包括第一电极和第二电极；在所述第二纳米线的延伸方向上，距离最远的两条第一纳米线分别与所述第一电极和所述第二电极接触，或者在所述第一纳米线的延伸方向上，距离最远的两条第二纳米线分别与所述第一电极和所述第二电极接触。
2.根据权利要求1所述的红外光电探测器，其特征在于，所述第一纳米线与所述第二纳米线的数量相同，各所述单元格包括两条第一金属线和两条第二金属线。
3.根据权利要求2所述的红外光电探测器，其特征在于，所述金属线的制作材料包括金、银中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的红外光电探测器，其特征在于，所述纳米线和所述金属线的占空比相等；
所述占空比为：在每个单元格内，纳米线或者金属线的宽度与单元格边长之比。
5.据权利要求4所 述的红外光电探测器，其特征在于，所述纳米线和所述金属线的占空比均为1/8。
6.根据权利要求1所述的红外光电探测器，其特征在于，所述单元格为正方形，所述正方形的边长为0.3μm；
沿垂直于所述本征衬底层所在平面的方向，所述纳米线的高度为0.3μm，所述金属线的高度为115.3nm。
7.根据权利要求1所述的红外光电探测器，其特征在于，所述电极的制作材料包括金、银、铝中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的红外光电探测器，其特征在于，所述锗锡材料中的锡组分为1%~10%。
9.一种如权利要求1所述的红外光电探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供本征衬底层，所述本征衬底层包括锗锡材料；
在所述本征衬底层的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，并按照预设温度及预设时长进行加热；
利用电子束对所述本征衬底层表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
在蚀刻掩膜机中，利用蚀刻掩膜进行氯基等离子体反应离子蚀刻，形成纳米线后，在异丙醇中漂洗，并在压缩氮气中干燥；
在所述纳米线的表面涂覆预设厚度的聚甲基丙烯酸甲酯，按照预设温度及预设时长进行加热后，进行电子束曝光，并对曝光后的聚甲基丙烯酸甲酯进行显影及定影；
利用电子束蒸发系统，在所述本征衬底层的表面依次沉积厚度为2nm的铬薄膜和厚度为100nm的金薄膜，形成金属线；
在丙酮中去除杂质，获得制作完成的红外光电探测器。
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