多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法
专利汇可以提供多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于光电探测技术领域，具体一种多通道全 硅 基红外光热电探测器及其制作方法。探测器结构包括：一顶层为n型掺杂的SOI衬底；一平行分布的硅 纳米线 阵列制备于SOI衬底的 氧 化硅层之上、顶层硅之中；一个二维超表面构筑并集成在硅纳米线阵列之中，该超表面由纳米尺度的金属天线组成；一对 覆盖 在硅纳米线列阵两端顶部对延伸 电极 。该探测器的探测波段不受传统探测器的 半导体 材料带间直接或间接跃迁的限制，能够覆盖整个1-3μm波段。本发明解决了全硅材料不能工作在 波长 大于1.1μm红外波段的难题，实现与硅基CCD器件或CMOS读出 电路 完全兼容和集成，可以发展成多通道、高分辨、大面积焦平面 像素 列阵的红外光电芯片，具有广泛的应用前景。，下面是多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法专利的具体信息内容。
1.一种多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，包括：
一绝缘体上硅衬底，该衬底顶层为n型掺杂硅，中间层为二氧化硅，底层为普通低掺杂n型硅；
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；
一超表面，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端；
光入射平面为SOI衬底的顶部或者底部。
2.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述衬底顶层的n型掺杂硅为磷离子n型低掺杂，近乎本征掺杂。
3.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述金属天线材质为铬、金、银、铝、铜和铂金中的一种，或其中几种的组合。
4.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，所述的顶部电极材质为铝、铬、金、钨、镍、钛、钯或银中的一种，或其中几种的组合。
5.根据权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器，其特征在于，工作原理如下：
利用超表面构筑的金属纳米天线实现入射光的完美吸收，并调节场模式以实现金属/半导体界面的高度场局域特性；金属天线进一步在入射光条件下形成表面等离激元，进而在金属表面等离激元非辐射驰豫期间激发产生热载流子；热载流子通过内部发射过程进入一维硅纳米线阵列，并进行一维量子输运形成光电流。
6.如权利要求1所述的多通道全硅基红外光热电探测器的制作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：在顶层为低掺杂n型硅的SOI衬底上旋涂光刻胶-1，样品烘干；进行电子束曝光，然后放入显影液-1中显影，再沉积金属十字形标记，最后进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬，剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行干法刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，再次放入显影液-2中进行显影；
步骤七：将显影后的样品放入氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属天线沉积，然后剥离；
步骤九：在沉积金属天线后的样品上最后旋涂光刻胶-1，烘干样品；以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置，然后进行曝光；再放入显影液-1中显影；放入氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属接触电极的沉积，然后剥离，完成器件制备；
其中，所述的光刻胶-1为化学放大胶：SAL601、UV5、UVIII或SU8，或者普通正性光刻胶：
PMMA、PMMA-MAA或ZEP520A中的一种；
所述的光刻胶-2为正性电子束光刻胶：PMMA,PMMA-MAA,ZEP520A中的一种；
所述的显影液-1为：MF312:DI water, CD26,EC solvent，或者MIBK:IPA, 或O-xylene中的一种；
所述的显影液-2为：MIBK:IPA, O-xylene中的一种。
7.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的金属标记的材料为铬金、铂金、镍、钛、钯中的一种。
8.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的干法刻蚀为反应离子刻蚀或者电感耦合等离子体刻蚀。
9. 根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的剥离工艺所用溶液为丙酮、PG Remover中的一种。
10.根据权利要求6所述制作方法，其特征在于，所述的氢氟酸溶液的浓度为0.5%-10%。
多通道全硅基红外光热电探测器及其制作方法
技术领域
背景技术
发明内容
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线阵列制备在中间层二氧化硅之上、顶层硅之中；
一超表面构筑，该超表面由纳米尺度的金属天线组成，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极，覆盖在硅纳米线两端。
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，确定实际曝光位置，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入显影液-2中显影，然后沉积金属铬，剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行干法刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂光刻胶-2，烘干样品；以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，再次放入显影液-2中进行显影；
步骤七：将显影后的样品放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属天线沉积，然后剥离；
步骤九：在沉积金属天线后的样品上最后旋涂光刻胶-1，烘干样品；以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置，然后进行曝光；再放入显影液-1中显影；放入低浓度的氢氟酸溶液中漂洗，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入金属沉积设备中，进行金属接触电极的沉积，然后剥离，完成器件制备。
（2）利用本发明，器件材料为全硅基和金属材料，成本低廉、可与现有硅基CCD器件或者CMOS电路集成为红外光电芯片、硅基红外焦平面探测列阵可达到12英寸晶圆的规模、器件可操作在室温或者高温环境；
（3）利用本发明，借助超表面金属纳米天线，能够最大限度捕获入射光，实现红外波段高吸收率（≈90%）；
（4）利用本发明，借助超金属表面结构原理与性质，可以实现器件在1-3 微米波段的选择性吸收，实现器件多通道探测；
（5）利用本发明,借助金属纳米天线和硅接触形成肖特基结，利用表面等离激元热载流子性质，解决了传统全硅基器件受材料能带限制，无法工作在大于1.1 微米波段的难题；
（6）利用本发明，借助超表面金属天线实现光的完美吸收、金属/硅纳米线的界面场局域特性、表面等离激元热电子激发、以及热载流子被硅纳米线吸收并进行一维量子输运特性提升光电流、器件量子效率、响应度，实现了可以和III-V/II-VI族半导体器件媲美的性能；
（7）利用本发明，基于硅纳米线的金属-半导体-金属构造，减小了器件工作的暗电流，有效提升了器件的探测率和低功率入射光监测能力。
具体实施方式
一平行分布的硅纳米线阵列，该硅纳米线制备在氧化层之上、顶层硅之中；纳米线线宽为100和150纳米，周期为200和400纳米，长度为300微米，分布整体宽度为200微米；
一超表面构筑，该超表面由纳米尺度的金属天线组成。材料为Ti/Au，其中Ti的厚度为2纳米，金的厚度为40纳米；金属天线的长度和宽度均为100纳米，分布周期为200纳米，整体分布面积200微米×300微米，并与硅纳米线集成在一块；
一顶部接触电极覆盖在硅纳米线两端，电极材料为铝，厚度为200纳米，覆盖硅纳米线长度为10微米。
中显影1分钟，转入DI water中定影15秒；再热蒸发沉积100纳米厚度的金十字形标记，后放入丙酮进行剥离工艺；
步骤二：在做好金属标记的SOI衬底上旋涂350纳米的PMMA，烘干样品，然后以金属标记为基准，确定实际曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤三：将样品放入23℃的MIBK:IPA=1:3溶液中显影，转入IPA溶液中定影15秒，沉积
20纳米铬，然后放入丙酮进行剥离，在SOI衬底上形成铬纳米线条；
步骤四：将样品以铬为掩膜，进行反应离子刻蚀，然后放入去铬液中，剥离掉铬，留下纯净硅纳米线结构在氧化硅绝缘层上；
步骤五：在刻蚀好硅纳米线的SOI衬底上再次旋涂350纳米的PMMA，烘干样品，然后以金属标记为基准，套刻确定新的曝光位置后，进行电子束曝光；
步骤六：将曝光完成后的样品，放入23℃的MIBK:IPA=1:3溶液中显影，转入IPA溶液中定影15秒；
步骤七：将显影后的样品放入5%的氢氟酸溶液中漂洗15秒，去除自然氧化层；
步骤八：迅速将样品转移进入电子束蒸发设备中，进行金属天线2 nm-Ti/40nm-Au沉积，然后放入丙酮溶液剥离；
步骤九：在沉积金属后的样品上最后旋涂光刻胶UVIII，烘干样品，然后以金属标记为基准，再次套刻确定新的曝光位置后，进行曝光；之后，放入23℃的TMAH:DI water=1:2.5的显影液中显影1分钟，转入DI water中定影15秒；再放入5%的氢氟酸溶液中漂洗15秒，去除自然氧化层；迅速将样品转移进入热蒸发沉积设备中，蒸发沉积200纳米厚度的铝，然后放入丙酮溶液剥离，完成器件制备。
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