一种近红外光的四象限探测器及其制备方法与流程

1.本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种近红外光的四象限探测器及其制备方法。


背景技术：

2.象限探测器是一种阵列光敏元的定位光电器件，光敏元间有狭小的沟道隔离，光敏元常用pn结或者pin结实现。四象限探测器由四个性能完全相同的光敏阵元按照直角坐标系排布，反向偏置的四个光敏阵元等效于四个光电二级管。当入射光照射到光敏元件上时，从四个光敏区分别输出光电流信号。利用输出光电流信号间的关系，可以确定光斑在光敏元上的位置，从而实现光斑定位。象限探测器实际中常用于激光制导、激光准直和对准、光电追踪等。然而，现有的象限探测器的响应波段主要集中在可见光区，对近红外光的光电响应较弱，输出光电流信号较小，对后续处理电路提出了较高的要求。


技术实现要素：

3.本发明提供一种近红外光的四象限探测器及其制备方法，以解决近红外光的光电响应弱所导致探测器输出光电流信号小的问题。
4.本发明提供的近红外光的四象限探测器，所述四象限探测器用于探测入射光，包括：
5.衬底，具有相对设置的正面和背面；
6.四个探测单元，四个所述探测单元呈中心对称设置在所述衬底的正面上，所述探测单元包括依次层叠设置的金属反射层、绝缘介质层、石墨烯层，所述探测单元还包括银微结构和输出电极，若干个所述银微结构设置在所述石墨烯层上，输出电极设置在所述石墨烯层上；
7.在每个所述探测单元中，所述入射光入射到所述金属反射层上，形成反射光；所述入射光包括近红外光；所述银微结构吸收所述入射光和所述反射光，并响应生成光生载流子；所述光生载流子经所述石墨烯层横向传输后，再传输到所述输出电极；所述输出电极接收所述光生载流子并输出光电流信号，完成所述入射光的探测。
8.可选地，所述四个探测单元通过垂直交叉的两条阻隔沟道隔开。
9.可选地，若干个所述银微结构阵列设置在所述石墨烯层。
10.可选地，所述银微结构包括l型银微结构，在平行于所述衬底的正面的平面内，所述l型银微结构呈l型。
11.可选地，在平行于所述衬底的正面的平面内，所述l型银微结构沿第一方向的长度和沿第二方向的长度均为150nm-350nm，所述l型银微结构的宽度为38nm-62nm，所述第一方向垂直于所述第二方向；沿着第三方向，所述l型银微结构的厚度为35nm-65nm，所述第三方向分别垂直于所述第一方向和所述第二方向。
12.可选地，所述垂直交叉的两条阻隔沟道中的一条沟道沿着第一方向设置，所述垂
直交叉的两条阻隔沟道中的另一条沿着第二方向设置，在平行于所述衬底的正面的平面内，所述l型银微结构沿第一方向的长度和沿第二方向的长度相等。
13.可选地，所述金属反射层的材料包括金或银。
14.基于相同的构思，本发明还提供了一种近红外光的四象限探测器的制备方法，包括：
15.提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面和背面；
16.在所述衬底的正面上形成掩膜层，刻蚀所述掩膜层，所述掩膜层的残留部分构成呈十字形的掩膜结构，所述掩膜结构将所述衬底的正面划分为呈中心对称的四个象限区；
17.针对每个所述象限区，在所述石墨烯层上形成若干个银微结构；
18.针对每个所述象限区，在所述石墨烯层上形成输出电极。
19.可选地，所述针对每个所述象限区，在所述石墨烯层上形成输出电极之后，还包括：
20.刻蚀所述掩膜结构，形成垂直交叉的两条阻隔沟道。
21.可选地，所述针对每个所述象限区，在所述石墨烯层上形成若干个银微结构包括：
22.在所述石墨烯层上形成金属银层；
23.在所述金属银层上形成刻蚀掩膜；
24.基于所述刻蚀掩膜，对所述金属银层进行刻蚀处理，形成若干个银微结构。
25.本发明的有益效果：本发明中的近红外光的四象限探测器包括：衬底，具有相对设置的正面和背面；四个探测单元，四个探测单元呈中心对称设置在所述衬底的正面上，探测单元包括依次层叠设置的金属反射层、绝缘介质层、复合结构层，复合结构层包括石墨烯层和银微结构，探测单元还包括输出电极，输出电极设置在石墨烯层上；通过银微结构吸收入射光响应生成光生载流子，并利用石墨烯优良的导电性能传输光生载流子，减小了载流子传输到电极的渡越时间，提高载流子的收集效率，从而实现增大输出信号光电流的目的，进而解决了近红外光的光电响应弱所导致探测器输出光电流信号小的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.图1是本发明实施例中近红外光的四象限探测器的三维结构示意图；
28.图2是本发明实施例中近红外光的四象限探测器的侧视结构示意图；
29.图3是本发明实施例中复合结构层的侧视结构示意图；
30.图4是本发明实施例中复合结构层的结构示意图；
31.图5是本发明实施例中近红外光的四象限探测器对入射光的吸收光谱图；
32.图6是本发明实施例中近红外光的四象限探测器的制备方法的流程示意图。
33.附图标记说明：
34.1-阻隔沟道；2-输出电极；3-复合结构层；31-石墨烯层；32-银微结构；4-绝缘介质层；5-金属反射层；6-衬底。
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
37.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
38.请参阅图1、图2、图3，近红外光的四象限探测器包括：衬底6，衬底6具有相对设置的正面和背面；四个探测单元，四个探测单元呈中心对称设置在衬底的正面上，探测单元包括依次层叠设置的金属反射层5、绝缘介质层4、复合结构层3，复合结构层3包括石墨烯层31和银微结构32，若干个银微结构32设置在石墨烯层上，探测单元还包括输出电极2，输出电极2设置在石墨烯层32上；四象限探测器用于探测入射光，在每个探测单元中，入射光入射到金属反射层5上，形成反射光；入射光包括近红外光；银微结构32吸收入射光和反射光，并响应生成光生载流子；光生载流子经石墨烯层31横向传输后，再传输到所述输出电极2；输出电极2接收光生载流子并输出光电流信号，完成入射光的探测。入射光透过绝缘介质层4后，入射到金属反射层5，形成反射光；提高了入射光在近红外光的四象限探测器中的吸收率；通过银微结构32吸收入射光和反射光响应生成光生载流子，并利用石墨烯层31优良的导电性能传输光生载流子，减小了载流子传输到输出电极2的渡越时间，提高载流子的收集效率，从而实现增大输出信号光电流的目的，进而解决了近红外光的光电响应弱所导致探测器输出光电流信号小的问题。
39.在一实施例中，衬底包括但不限于硅、锗。四个探测单元通过垂直交叉的两条阻隔沟道1隔开。
40.在一实施例中，金属反射层的材料可以为金、银。金属反射层的厚度包括50nm-100nm，例如可以为50nm、51nm、52nm、53nm、54nm、55nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。通过设置金属反射层，当入射光到金属反射层，形成反射光；提高了入射光在近红外光的四象限探测器中的吸收率。
41.在一实施例中，绝缘介质层的材料包括但不限于二氧化硅；绝缘介质层的厚度包括50nm-100nm，例如可以为50nm、51nm、52nm、53nm、54nm、55nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。入射光透过绝缘介质层后，入射到金属反射层。
42.在一实施例中，为了提高石墨烯层对光生载流子的传输能力，石墨烯层的层数可以为小于6的正整数，例如可以为1、2、3、4、5。通过石墨烯优良的导电性能传输光生载流子，减小光生载流子传输到输出电极的渡越时间，提高载流子的收集效率，实现增大输出信号光电流。
43.在一实施例中，银微结构可以阵列设置在石墨烯层，银微结构包括l型银微结构，在平行于所述衬底的正面的平面内，l型银微结构呈l型。在平行于衬底的正面的平面内，所
述l型银微结构沿第一方向的长度和沿第二方向的长度均为150nm-350nm，例如可以为150nm、151nm、152nm、153nm、154nm、155nm、200nm、250nm、300nm、350nm等；l型银微结构的宽度为38nm-62nm，例如可以为38nm、40nm、45nm、50nm、60nm、62nm等，第一方向垂直于所述第二方向；沿着第三方向，所述l型银微结构的厚度为35nm-65nm，例如可以为35nm、36nm、37nm、38nm、39nm、40nm、50nm、55nm、60nm、65nm，第三方向分别垂直于所述第一方向和所述第二方向。在平行于所述衬底的正面的平面内，可以设置l型银微结构沿第一方向的长度和沿第二方向的长度相等。垂直交叉的两条阻隔沟道中的一条沟道可以沿着第一方向设置，垂直交叉的两条阻隔沟道中的另一条可以沿着第二方向设置；具体地，垂直交叉的两条阻隔沟道包括第一阻隔沟道和第二阻隔沟道；可以第一阻隔沟道沿着第一方向设置，第二阻隔沟道沿着第二方向设置；可以第一阻隔沟道沿着第二方向设置，第二阻隔沟道沿着第一方向设置；垂直交叉的两条阻隔沟道中的一条沟道可以沿着第一方向设置，垂直交叉的两条阻隔沟道中的另一条可以沿着第二方向设置时，l型银微结构的拐角方向可以是靠近与其相对应的阻隔沟道所形成的拐角方向，l型银微结构的拐角方向也可以是远离与其相对应的阻隔沟道所形成的拐角方向。
44.在一实施例中，输出电极的材料包括但不限于金、镍，输出电极的宽度可以为0.7mm-1.3mm，例如可以为0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3等；输出电极的厚度可以为35nm-65nm，例如可以为35nm、36nm、37nm、38nm、39nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm。为了提高对光生载流子的收集效率，输出电极可以设置在石墨烯层的边缘位置，形成弧形结构的输出电极。
45.在一具体的实施例中，请参阅图4，银微结构包括l型银微结构，在平行于所述衬底的正面的平面内，l型银微结构呈l型，银微结构阵列设置在石墨烯层；在每一个石墨烯晶格中，石墨烯的晶格单元尺寸400nm
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400nm，在平行于衬底的正面的平面内，所述l型银微结构沿第一方向的长度和沿第二方向的长度均为均为200nm，l型银微结构的宽度为50nm，第一方向垂直于所述第二方向；沿着第三方向，l型银微结构的厚度为40nm；垂直交叉的两条阻隔沟道中的一条沟道可以沿着第一方向设置，垂直交叉的两条阻隔沟道中的另一条可以沿着第二方向设置，且l型银微结构的拐角方向为远离与其相对应的阻隔沟道所形成的拐角方向；l型银微结构的第一最长边与石墨烯晶格边缘位置的距离为100nm，l型银微结构的第二最长边与石墨烯边缘位置的距离为100nm。
46.在一具体的实施例中，在近红外光的四象限探测器的每一探测单元中，衬底为硅；金属反射层为金，金属反射层的厚度为50nm；绝缘介质层为二氧化硅，绝缘介质层的厚度50nm；复合结构层中石墨烯为单层，复合结构层的结构如图3所示；输出电极在石墨烯层的边缘位置形成弧形结构，输出电极的宽度为1mm，输出电极的厚度50nm；采用这种近红外光的四象限探测器对入射光进行探测，近红外光的四象限探测器对入射光的吸收率请参阅图5，由图5可知，920nm和1550nm的近红外光为近红外光的四象限探测器的特征吸收光谱，特别是对920nm的光其吸收率接近90％。
47.基于与上述近红外光的四象限探测器相同的构思，本发明还提供一种近红外光的四象限探测器的制备方法，请参阅图6，一种近红外光的四象限探测器的制备方法包括：
48.步骤s110，提供衬底；
49.步骤s120，在衬底的正面上形成掩膜层，刻蚀掩膜层，掩膜层的残留部分构成呈十
字形的掩膜结构；
50.步骤s130，在每个象限区上依次层叠形成金属反射层、绝缘介质层及石墨烯层；
51.步骤s140，针对每个所述象限区，在石墨烯层上形成若干个银微结构；
52.步骤s150，针对每个所述象限区，在石墨烯层上形成输出电极；
53.步骤s160，刻蚀掩膜结构，形成垂直交叉的两条阻隔沟道。
54.具体地，衬底具有相对设置的正面和背面；掩膜层的厚度大于或等于探测单元的厚度；掩膜结构将衬底的正面划分为呈中心对称的四个象限区，阻隔沟道的宽度包括150μm-250μm，例如可以为150μm、151μm、152μm、153μm、154μm、155μm、170μm、190μm、200μm、220μm、240μm、250μm等。
55.在一实施例中，在每个象限区上依次层叠形成金属反射层、绝缘介质层及石墨烯层的实现方法包括：在每个象限区上，通过蒸镀或者化学气相沉积形成金属反射层；针对每个所述象限区，在金属反射层上，通过蒸镀或者化学气相沉积生长绝缘介质层；针对每个所述象限区，将石墨烯铺设在绝缘介质层上，形成石墨烯层。可以利用机械剥离法、化学气相沉积法制备石墨烯。
56.在一实施例中，针对每个所述象限区，在石墨烯层上形成若干个银微结构包括：在石墨烯层上，通过蒸镀或者化学气相沉积形成金属银层；在金属银层上形成刻蚀掩膜；基于所述刻蚀掩膜，对金属银层进行刻蚀处理，形成若干个银微结构。
57.在一实施例中，针对每个象限区，在石墨烯层上形成输出电极包括：针对每个象限区，在石墨烯层的边缘位置通过沉积的方式形成弧形结构的输出电极。
58.本施例提供了一种近红外光的四象限探测器的制备方法，通过在衬底上依次形成金属反射层、绝缘介质层、石墨烯层，并在石墨烯层上形成若干个银微结构和输出电极，从而使得制备得到的近红外光的四象限探测器，可以利用入射光照射到金属银的微结构时，激励金属等离子而产生光生载流子。由于石墨烯和绝缘介质层形成的界面两侧的材料存在能级不同，光生空穴向石墨烯层扩散，而光生电子向绝缘层扩散。由于石墨烯层的优良导电性能，加速了空穴在界面上的传输，减小了向电极扩散的渡越时间，从而可以输出较大的信号光电流。
59.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。