一种增强量子效率的PtSi红外探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种增强量子效率的PtSi红外探测器，包括自上而下三层结构，分别为二氧化硅介质、PtSi金属膜和p?Si衬底；二氧化硅介质中具有金属氧化物微纳米颗粒阵列；金属氧化物微纳米颗粒阵列为采用类金属材料铝掺杂氧化锌制成的金属球有序阵列；p?Si衬底的底部具有亚波长光栅抗反射结构；亚波长光栅抗反射结构包括p?Si衬底的底部刻蚀的亚波长光栅以及在亚波长光栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜。本发明解决了传统的探测器因量子效率在中波红外波段(3μm?5μm)低导致热灵敏度不高的问题，改善了探测器的热灵敏度。
【专利说明】
一种増强量子效率的Pts i红外探测器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于红外成像领域，具体涉及一种增强量子效率的PtSi红外探测器及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 红外焦平面探测器技术正向大面阵、宽光谱、高均匀性、高灵敏度、低成本的方向 发展。大部分PtSi红外探测器红外焦平面探测器与CCD读出电路单片集成，同时具有大面 阵、宽光谱（1μπι-10μπι)、高均匀性(非均匀性通常小于1%)、低成本的特点，因其在多光谱/ 宽光谱成像、侦察监视、激光探测、天文观测、医疗检测等领域具有应用潜力而再次受到关 注。另外，成熟的亿像素超大面阵CCD技术可使硅化物肖特基势皇红外探测器列阵像元规模 也达到亿像素的规模，从而具有获得亿像素量级宽光谱、高均匀性、低成本红外焦平面探测 器的潜力。灵敏度相对较低(相对孔径1.0时的噪声等效温差典型值为IOOmK)是硅化物肖特 基势皇红外焦平面探测器的主要缺点。随着其它红外探测器技术的迅速发展，PtSi红外探 测器的应用面临着严峻的挑战。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种增强量子效率的PtSi红外探测器及其制备方法，解 决了传统的探测器因量子效率在中波红外波段(3μπι-5μπι)低导致热灵敏度不高的问题，改 善了探测器的热灵敏度。
[0004] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为:一种增强量子效率的PtSi红外探测器， 包括自上而下三层结构，分别为二氧化娃介质、PtSi金属膜和p-Si衬底。
[0005] 二氧化硅介质中具有金属氧化物微纳米颗粒阵列。
[0006] 金属氧化物微纳米颗粒阵列为采用类金属材料铝掺杂氧化锌制成的金属球有序 阵列。
[0007] p-Si衬底的底部具有亚波长光栅抗反射结构。
[0008] 亚波长光栅抗反射结构包括p-Si衬底的底部刻蚀的亚波长光栅以及在亚波长光 栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜。
[0009]进一步地，金属氧化物微纳米颗粒阵列中金属球的材质为由ZnO掺杂AI2O3制成的 Al: ZnO金属氧化物，该Al: ZnO金属氧化物材料载流子浓度为4.2 X 102()cnf3;
[0010] 金属球的半径为〇·65μηι;
[0011] 金属球最低点与PtSi金属膜的距离为0.4μπι。
[0012] 进一步地，亚波长光栅为一维亚波长光栅结构或者二维亚波长光栅结构，周期小 于或者等于入射福射波长，槽深在〇.4μηι-〇.6μηι之间，占空比在0.5μηι-〇.6μηι之间。
[0013] 进一步地，亚波长光栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜的厚度在0.4μπι-0.6μπι之间。
[0014] 本发明还提供了一种增强量子效率的PtSi红外探测器的制备方法，包括如下步 骤：
[0015] 步骤一、采用PtSi红外探测器，该PtSi红外探测器包括自上而下的PtSi金属膜和 P-Si衬底两层结构；
[0016] 步骤二、在P-Si衬底上采用反应离子干法刻蚀亚波长光栅；
[0017]步骤三、刻蚀后退火以除去由刻蚀引入的表面缺陷；
[0018] 步骤四、在亚波长光栅上蒸镀一层二氧化硅抗反射膜；
[0019] 步骤五、在PtSi金属膜上淀积二氧化硅介质层；
[0020] 步骤六、在二氧化硅介质层上淀积Al: ZnO金属氧化物，并刻蚀成球形有序阵列。
[0021] 有益效果：
[0022] 本发明可将探测器的外量子效率提高，制作工艺与常规PtSi红外探测器兼容。红 外辐射进入亚波长光栅抗反射结构进入P-Si衬底，亚波长光栅结构等效成一定折射率的均 匀介质薄膜，在入射介质真空与基底介质P-Si衬底之间形成折射率渐变层，这将有效降低 由于入射介质与基底介质折射率不一样导致的反射损耗，增加红外辐射的透射效率;红外 辐射经过P-Si衬底到达PtSi金属膜，由于光栅结构的前向散射作用，红外辐射在探测器有 源区（PtSi金属膜)的有效光学路径长度增加;被PtSi金属膜透射的部分红外辐射利用Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒表面电子振荡形成的局域表面等离子激元使其发生大角度散 射，再次增加 PtSi层吸收红外辐射的光学路径长度，导致光学吸收增加，进而增加探测器的 外量子效率。
【附图说明】
[0023]图1为传统PtSi红外探测器结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例亚波长光栅抗反射结构和金属氧化物微纳米颗粒局域表面等 离子增强的PtSi红外探测器结构示意图；
[0025]图3为本发明实施例Al :ZnO金属氧化物微纳米颗粒并带有一维、二维亚波长光栅 抗反射结构的PtSi红外探测器以及传统结构有无 Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒的吸收效 率；
[0026]图4为本发明实施例Al :ZnO金属氧化物微纳米颗粒并带有一维、二维亚波长光栅 抗反射结构的PtSi红外探测器以及传统结构有无 Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒的量子效 率(传统结构以及理论极限的外量子效率也给出）。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0028]实施例1、一种增强量子效率的PtSi红外探测器，包括自上而下三层结构，分别为 二氧化娃介质、PtSi金属膜和p-Si衬底。
[0029] 二氧化硅介质中具有金属氧化物微纳米颗粒阵列。
[0030] 金属氧化物微纳米颗粒阵列为采用类金属材料铝掺杂氧化锌制成的金属球有序 阵列。
[0031] P-Si衬底的底部具有亚波长光栅抗反射结构。
[0032] 亚波长光栅抗反射结构包括P-Si衬底的底部刻蚀的亚波长光栅以及该亚波长光 栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜。
[0033]亚波长光栅结构在不同的光栅参数下，可等效为不同折射率的均匀介质薄膜;另 外，光栅结构可使入射辐射发生大角度的前向散射。其中金属氧化物微纳米颗粒阵列采用 类金属（以下简称为金属)材料铝掺杂氧化锌(一般是由ZnO掺杂Al 2O3制成的Al: ZnO金属氧 化物)制成的金属球有序阵列，并置于二氧化硅介质中。红外辐射进入亚波长光栅抗反射结 构的PtSi红外探测器主要分三步：（1)经过亚波长光栅抗反射结构进入p-Si衬底，亚波长光 栅结构等效成一定折射率的均勾介质薄膜，在入射介质真空与基底介质ρ-Si衬底之间形成 折射率渐变层，这将有效降低由于入射介质与基底介质折射率不一样导致的反射损耗，增 加红外辐射的透射效率；（2)红外辐射经过p-Si衬底到达PtSi金属膜，由于光栅结构的前向 散射作用，红外辐射在探测器有源区(PtSi金属膜)的有效光学路径长度增加；（3)被PtSi金 属膜透射的部分红外辐射利用Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒表面电子振荡形成的局域表 面等离子激元使其发生大角度散射，再次增加 PtSi层吸收红外辐射的光学路径长度，导致 光学吸收增加，进而增加探测器的外量子效率。
[0034]金属氧化物微纳米颗粒阵列中金属球的材质为由ZnO掺杂Al2〇3制成的Al :ZnO金属 氧化物，该Al: ZnO金属氧化物材料载流子浓度为4.2 X IO2t3Cnf3。
[0035] 金属球的半径为0·65μηι。
[0036] 金属球最低点与PtSi金属膜的距离为0.4μπι。
[0037] 亚波长光栅为一维亚波长光栅结构或者二维亚波长光栅结构，周期小于或者等于 入射福射波长，槽深在〇. 4μηι-〇. 6μηι之间，占空比在0.5μηι-〇. 6μηι之间。
[0038] 亚波长光栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜的厚度在0.4μπι-0.6μπι之间。
[0039] 实施例2、
[0040] 本发明所提出的一种亚波长光栅抗反射结构和金属氧化物微纳米颗粒局域表面 等离子增强的PtSi红外探测器，该种探测器设计的基本思想为:使用传统的PtSi红外探测 器，本实施例中所针对的传统PtSi红外探测器结构如图1所示，具有铝(Al)反射镜、二氧化 娃光腔介质、PtSi金属膜(3nm左右）、p_Si衬底(450μηι左右）和二氧化娃抗反射膜(0 · 8μηι左 右）；在该传统的PtSi红外探测器的p-Si衬底上采用反应离子干法刻蚀亚波长光栅，刻蚀后 退火以除去由刻蚀引入的表面缺陷，然后在亚波长光栅上蒸镀一层二氧化硅抗反射膜，在 PtSi金属膜上淀积二氧化娃介质层，在其上再淀积Al: ZnO金属氧化物材料，并刻蚀成球形 有序阵列，新结构如图2所示。
[0041] 实施例3、根据上述基本思想，以亚波长光栅抗反射结构和金属氧化物微纳米颗粒 局域表面等离子增强的PtSi红外探测器为例，通过对亚波长光栅抗反射结构以及Al :ZnO金 属氧化物微纳米颗粒参数的优化，尽量使得3μπι-5μπι整个波段的反射最小，PtSi层吸收最 大。先经过大量仿真得到光栅周期Λ、刻槽深度h、占空比f、Si0 2抗反射膜厚度d、Al:ZnO金 属氧化物微纳米颗粒的半径、Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒与PtSi金属膜的距离的基本优 化值，然后取这些优化值，再对其中每一个参数进行局部优化。最后数值仿真得出亚波长光 栅抗反射结构的周期为3μηι，光栅槽深h = 0.5ym，光栅占空比f = 0.5，Si〇2抗反射膜厚d = 0.4以111，41:211〇金属氧化物微纳米颗粒的半径1 = 0.65以1]1，41:211〇金属氧化物微纳米颗粒与 PtSi金属膜的距离ρ = 0.4μπι，反射最小，得到Al = ZnO金属氧化物微纳米颗粒并带有一维、二 维亚波长光栅抗反射结构的PtSi红外探测器(分别简称为一维光栅-微纳米颗粒结构和二 维光栅-微纳米颗粒结构）的PtSi膜在3μπι-5μπι波段内的吸收效率Α(λ)如图3所示。为了便于 比较，也给出了传统结构有无 Al: ZnO金属氧化物微纳米颗粒结构的吸收效率。
[0042] 最后，根据PtSi红外探测器的吸收效率可以计算得到理论外量子效率EQE:
[0043]廳=辱U 一 O
[_]卜丄M拜-I A 21-U⑴ J1
[0045]其中，hu为红外入射光子能量，为PtSi红外探测器肖特基势皇高度，G是内量子 效率的放大倍数，表示由于PtSi/p-Si界面反射(散射）的热空穴而引起的内量子效率的提 高。其中L为热空穴的平均自由程;t为硅化物薄膜的厚度。
[0046]在分析了吸收效率后，利用一维、二维光栅-微纳米颗粒结构吸收效率分析外量子 效率如图4所示(蓝线），假定热空穴的平均自由程L为85nm，势皇高度为0.23eV。为了便于 比较，也给出了内量子效率(黑线），代表当红外辐射完全吸收时(Α(λ) = 1)的情况。同时，传 统结构理论仿真(红线）的外量子效率也给出。可以看出，一维、二维光栅-微纳米颗粒结构 的外量子效率有非常明显的提高，其值很接近理论极限（代表内量子效率的黑线），但是每 条曲线变化复杂，在不同的入射波段提高幅度不同。由图可知，二维光栅-微纳米颗粒结构 的改进效果最佳，外量子效率在3. Ιμπι处能达到13 %。相比于传统结构，二维光栅-微纳米颗 粒结构的外量子效率在3Μ1-3.6μπι波段平均提高3倍，在3.6μπι-5μπι波段平均提高2.8倍。 [0047]综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种增强量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，包括自上而下三层结构，分别为 二氧化娃介质、PtSi金属膜和p-Si衬底； 所述二氧化娃介质中具有金属氧化物微纳米颗粒阵列； 所述金属氧化物微纳米颗粒阵列为采用类金属材料铝掺杂氧化锌制成的金属球有序 阵列； 所述P-Si衬底的底部具有亚波长光栅抗反射结构； 所述亚波长光栅抗反射结构包括P-Si衬底的底部刻蚀的亚波长光栅以及在亚波长光 栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜。2. 如权利要求1所述的一种增强量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，所述金属氧 化物微纳米颗粒阵列中金属球的材质为由ZnO掺杂AI2O3制成的A1 :ZnO金属氧化物，该A1: ZnO金属氧化物材料载流子浓度为4.2 X 102()Cnf3; 所述金属球的半径为〇.65μηι; 所述金属球最低点与PtSi金属膜的距离为0.4μηι。3. 如权利要求1所述的一种增强量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，所述的亚波 长光栅为一维亚波长光栅结构或者二维亚波长光栅结构，周期小于或者等于入射辐射波 长，槽深在〇. 4μηι-〇. 6μηι之间，占空比在0.5μηι-〇. 6μηι之间。4. 如权利要求1或者2所述的一种增强量子效率的PtSi红外探测器，其特征在于，所述 亚波长光栅上覆盖的二氧化硅抗反射膜的厚度在〇. 4μπι-0.6μπι之间。5. -种如权利要求1所述的增强量子效率的PtSi红外探测器的制备方法，其特征在于， 包括如下步骤： 步骤一、采用PtSi红外探测器，该PtSi红外探测器包括自上而下的PtSi金属膜和p-Si 衬底两层结构； 步骤二、在p-Si衬底上采用反应离子干法刻蚀亚波长光栅； 步骤三、刻蚀后退火以除去由刻蚀引入的表面缺陷； 步骤四、在亚波长光栅上蒸镀一层二氧化硅抗反射膜； 步骤五、在PtSi金属膜上淀积二氧化娃介质层； 步骤六、在二氧化娃介质层上淀积A1: ZnO金属氧化物，并刻蚀成球形有序阵列。
【文档编号】H01L31/18GK106057955SQ201610498541
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】王岭雪, 康冰心, 蔡毅
【申请人】北京理工大学