基于谐振腔的窄带光探测器

1.本发明涉及半导体光探测器、光电子技术领域，尤其涉及基于谐振腔的窄带光探测器。


背景技术：

2.如图1所示，传统的窄带光探测器大多采用空间探测器+滤光片的组合方式，这种结构组合具有窄带通滤光片制备难度高、体积大以及不利于波长选择和阵列化等方面的问题；根据内建电场机制不同，空间探测器可以分为msm型(如图2所示)、sbd型等等，其中，msm型空间探测器由于响应快、工艺简单而被广泛应用，但其需要空间光直接照射且响应范围宽，在响应度方面的性能有待提高(普遍《10a/w)，鉴于此，本发明采用微电子工艺将光学谐振微腔与光探测器集成，实现窄带、高响应度的探测器器件及阵列。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种制备工艺简单、器件稳定性佳、集成度高、能够有效规避滤光片设计、制备难度大以及波长选择性差的问题的基于谐振腔的窄带光探测器。
4.为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
5.一种基于谐振腔的窄带光探测器，其包括依序层叠设置的衬底、第一反射镜、半导体薄膜、电极和第二反射镜；
6.其中，所述半导体薄膜为具有光响应能力的半导体薄膜；
7.另外，所述第一反射镜和第二反射镜之间形成光学谐振微腔。
8.作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述第一反射镜和/或第二反射镜为dbr反射镜或金属反射镜。
9.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述dbr反射镜包括适用于可见光段的ti3o5/sio
2 dbr反射镜和适用于深紫外段的hfo2/sio
2 dbr反射镜中的一种以上。
10.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述的第一反射镜为金属铝反射镜、hfo2/sio
2 dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
11.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述第二反射镜为hfo2/sio2dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
12.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述电极为叉指电极，所述第二反射镜层叠覆盖在叉指电极的叉指区域且所述叉指电极的两端pad部分外露出第二反射镜。
13.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述衬底为石英衬底；所述半导体薄膜为β-ga2o3、sic、gan、si、gaas或zno薄膜。
14.基于上述，本发明方案还提供一种基于谐振腔的窄带光探测器制作方法，其包括
如下步骤：
15.s1、在支撑衬底上依序生长氮化镓层以及外延半导体层；
16.s2、对外延半导体层进行电子束蒸镀制备第一反射镜；
17.s3、在第一反射镜上键合衬底；
18.s4、从衬底方向，以预设波长的激光剥离氮化镓层和支撑衬底，然后抛光；
19.s5、抛光后，在外延半导体层上蒸镀叉指电极；
20.s6、在电极的叉指部分沉积制备第二反射镜。
21.作为一种较优的实施选择，优选的，s1中，所述支撑衬底为蓝宝石衬底；所述衬底为蓝宝石、石英、si、金属、pet柔性衬底等。
22.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述外延半导体层的选材为ga2o3、sic、gan、si、gaas或zno等半导体。
23.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案上述制备方法中所述的第一反射镜为金属铝反射镜、hfo2/sio
2 dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
24.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案上述制备方法中所述第二反射镜为hfo2/sio
2 dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
25.作为一种较优的实施选择，优选的，本方案上述制备方法s4中，以365nm波长的激光剥离氮化镓层和衬底。
26.除上述之外，本发明还提供另一种基于谐振腔的窄带光探测器制作方法，其包括如下步骤：
27.s1、在衬底上利用电子束蒸镀沉积第一反射镜；
28.s2：利用磁控溅射、pld或mbe的方式在第一反射镜上沉积半导体薄膜；
29.s3：在半导体薄膜上制作叉指电极；
30.s4：利用电子束蒸镀的方式沉积第二反射镜，使叉指电极的叉指部分被覆盖，叉指电极的pad区域露出第二反射镜。
31.采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明方案基于谐振腔的窄带光探测器相对于传统的光探测器而言，本方案的光探测器能够利用dbr-fp腔光学相干效应形成高反带中特定波长(腔模)透过率增强，其他波长透过率几乎为0的选择效果，特定腔模可以通过控制腔长所得和调整，即具有优秀的波长选择性；除此之外，本方案利用dbr-fp腔，将腔模波长入射光限制在两反射镜构成的腔内,发生多次反射产生干涉增强作用,使腔模的光模式态密度增大，增强特定吸收，使本方案的窄带光探测器具有高响应度的优势。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。
33.图1是现有技术窄带光探测器采用空间探测器+滤光片的组合方式简要示意图；
34.图2是msm型空间探测器的简要示意图；
35.图3是本发明方案的窄带光探测器的简要示意图；
36.图4是本发明方案的窄带光探测器的简要部分结构示意图，其中隐去了第二反射镜；
37.图5是本发明方案窄带光探测器的简要制备流程图示；
38.图6是本发明方案窄带光探测器在特定腔长下的光可透过比例的数据表征图；
39.图7为本发明方案窄带光探测器形成谐振腔腔模的简要原理示意图；
40.图8是本发明方案窄带光探测器在入射光为850nm时，谐振腔的腔长l与器件响应度的关系图。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
42.结合图3或图4所示，本实施例方案一种基于谐振腔的窄带光探测器，其包括依序层叠设置的衬底1(石英衬底)、第一反射镜2、半导体薄膜3、电极4和第二反射镜5；所述第一反射镜2和第二反射镜5之间形成光学谐振微腔；
43.其中，所述半导体薄膜3为具有光响应能力的半导体薄膜，本实施例中，其材质为ga2o3，但其材质并不局限于此，半导体薄膜3也可以为si、sic、gan、gaas或zno薄膜；
44.另外，本方案中，所述第一反射镜2和/或第二反射5镜可以为dbr反射镜或金属反射镜；作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述dbr反射镜包括适用于可见光段的ti3o5/sio
2 dbr反射镜和适用于深紫外段的hfo2/sio2dbr反射镜中的一种以上。
45.具体的，本方案所述的第一反射镜2为金属铝反射镜、hfo2/sio
2 dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜；本方案所述第二反射镜5为hfo2/sio
2 dbr反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
46.本方案中，所述电极4为叉指电极，所述第二反射镜5层叠覆盖在叉指电极4的叉指区域且所述叉指电极4的两端部分外露出第二反射镜5。
47.本方案中，所述衬底1的选材并不局限于石英，其还可以为蓝宝石、si、金属、pet柔性等衬底。
48.结合图5所示，基于上述，本实施例方案还提供一种基于谐振腔的窄带光探测器制作方法，其包括如下步骤：
49.s1、在蓝宝石支撑衬底上生长氮化镓以及异质外延的氧化镓(ga2o3)层(即外延半导体层)；
50.s2、对氧化镓外延层进行电子束蒸镀hfo2/sio
2 dbr制备第一反射镜；
51.s3、在第一反射镜上键合石英衬底；
52.s4、从石英衬底方向，365nm激光剥离氮化镓/蓝宝石支撑衬底；
53.s5、抛光后，在氧化镓上蒸镀叉指电极；
54.s6、在电极的叉指部分沉积hfo2/sio
2 dbr制备第二反射镜。
55.本实施方案中，所述外延半导体层的选材除了为ga2o3，其还可以为sic、gan、si、gaas或zno等半导体。
56.本实施方案中，所述第一反射镜的选材除了为hfo2/sio
2 dbr反射镜，其还可以为金属铝反射镜、sio2/si3n4dbr反射镜、tio2/sio2dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
57.本实施方案中，所述第二反射镜的选材除了为hfo2/sio
2 dbr反射镜，其还可以为sio2/si3n4dbr反射镜、sio2/ta2o5dbr反射镜或ti3o5/sio
2 dbr反射镜。
58.本实施例方案中，外延半导体层材料制备手段也可以从mocvd等外延方法，置换成旋涂、磁控溅射pvd等手段。
59.上述结合图5所述的实施方案仅为本发明的其中一种举例，本发明方案中，与第一反射镜结合的衬底除了石英，其还可以是蓝宝石、si、金属薄膜、柔性pet等衬底。
60.在第一反射镜的制备上，本方案s2并不局限于电子束蒸镀hfo2/sio
2 dbr的第一反射镜，其还可以利用电子束蒸镀等手段沉积其他材质dbr或金属al反射镜、金属ag反射镜。
61.在外延半导体层方面，本方案也并不局限于上述，其可以利用磁控溅射、pld、mbe等手段沉积ga2o3，gan，sic，zno等材质的半导体薄膜。
62.同样的，在第二反射镜的制备上，本实施例方案也可以利用包括但不限于电子束蒸镀的其他手段沉积制备第二反射镜(dbr镜)，然后再露出电极pad区域。
63.作为一种实施举例，本实施例基于谐振腔的窄带光探测器的也可以采用如下制备方法进行制备，其包括如下步骤：
64.s1、取衬底，在衬底上利用电子束蒸镀等手段沉积第一反射镜(可以为dbr或al镜、ag镜)；
65.s2：利用磁控溅射、pld、mbe等手段在第一反射镜上沉积半导体薄膜(如ga2o3、gan、sic、zno等)；
66.s3：在半导体薄膜上制作叉指电极；
67.s4：利用电子束蒸镀等手段沉积第二反射镜(dbr镜)，且露出电极pad区域。
68.上述方案巧妙性引入磁控溅射、pld、mbe等方式在衬底上直接制备半导体薄膜，其相较于前述在蓝宝石支撑衬底上生长氮化镓以及异质外延的氧化镓(ga2o3)层(半导体薄膜)的方式而言，其无需借用蓝宝石等材质的衬底作为初始支撑衬底和在支撑衬底上制备氮化镓，因此，也就无需再执行剥离支撑衬底和氮化镓的工作，从而简化制备步骤，实现了更便利、直接和高效的制备，同时也提高了产品的质量。
69.本实施例方案基于谐振腔的窄带光探测器相对于传统的光探测器而言，本实施方案的光探测器能够利用dbr-fp腔相干形成特定波长(腔模)透过率增强，其他波长透过率几乎为0的选择效果，特定腔模可以通过控制腔长所得，即具有优秀的波长选择性；如下图6中的(a)、(b)子图所示，在380-520nm波长范围内，仅有虚圈标注的特定波长可以透过。
70.结合图7所示，当光谱受到谐振腔的调制之后，某些波长会得到相干增强，以驻波的形式稳定存在腔内，称为谐振模式；而其他的波长的光子则被腔模压制。这些被增强的波长满足驻波条件：
71.nlc＝pλ/2，p＝1，2，3
……
(n为折射率，lc为腔长(即半导体薄膜厚度)，p称为干涉级次)。
72.本方案利用dbr-fp腔，将入射光限制在两反射镜构成的腔内,发生多次反射产生干涉增强作用,使光模式态密度增强，增强特定吸收，使新型窄带探测器具有高响应度的优势。
73.本实施方案从理论上分析如下：
74.purcell效应：微腔中光模式态密度增强(q
↑
，fp
↑
)
[0075][0076]
半导体带边载流子态密度决定吸收率(fp
↑
,γ
吸收
↑
):
[0077]
γ
吸收
＝b
21
ρcρ
vfv
(1-fc)f
p
p(e
21
)
[0078]
其中，b
21
，ρc，ρv，fv，fc，p(e
21
)分别为吸收系数、电子和空穴态密度、空穴和电子占据几率以及照射光强密度。
[0079]
同时，谐振条件方程如下：
[0080][0081]
其中，λc为谐振波长；n为折射率；l为谐振腔腔长；φ
t
,φb分别为光波在顶层和底层反射镜反射时所引起的反射相移；m为整数。
[0082]
由上式可知，当入射光波与谐振腔模式相匹配,才能在腔内产生谐振增强作用,由此可通过对谐振腔结构参数进行调控，以控制谐振波长，从而达到对特定波长的光有明显响应度增强的目的。
[0083]
本实施方案对于特定波长的光而言，控制谐振腔腔长l,可使谐振腔腔模匹配入射光波长，让该段光波的响应度达到最大值。例如图8所示，在l从0—1000nm变化过程中,分别在l＝0nm,l＝425nm,l＝850nm处器件响应度达到最大值0.5a/w,而这三个位置分别为谐振波长的0,0.5和1倍。
[0084]
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。