一种位置敏感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，尤其涉及一种位置敏感探测器及其制备方法。


背景技术：

2.位置敏感探测器大多是一种基于半导体pn结横向光电效应的光电器件，可以用于检测入射光点位置。在位置敏感探测器中，入射光照激励的光生电子空穴对，在结面电势差的作用下定向移动，经电极收集后形成光电流输出。利用各电极输出的信号光电流进行计算，得到的计算结果可以确定光点在光敏面上的位置。然而，这种半导体结型的位置敏感探测器输出的信号光电流比较小且信噪比较低，因此，位置检测结果具有较大的非线性。为了改善其性能，大多对输出电极的结构形式进行改进，从而形成了具有不同电极结构形式的位置敏感探测器，但是这种改进方式并不能从根本上增强输出光电流信号。


技术实现要素：

3.本发明提供一种位置敏感探测器及其制备方法，以解决位置敏感探测器输出的光电流小所导致的位置检测不准确的问题。
4.本发明提供的位置敏感探测器，所述位置敏感探测器用于探测入射光，包括：
5.衬底，所述衬底具有相对设置的正面和背面；
6.复合结构反射层，设置在所述衬底的正面上；
7.绝缘介质层，设置在所述复合结构反射层上；
8.石墨烯层，设置在所述绝缘介质层上；
9.银微结构，若干个所述银微结构设置在所述石墨烯层上；
10.输出电极，设置在所述石墨烯层上；
11.接地电极，设置在所述衬底的背面上，
12.其中，所述入射光入射到所述复合结构反射层，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，完成目标位置的检测。
13.可选地，所述复合结构反射层包括若干层第一结构层和若干层第二结构层，所述第一结构层和所述第二结构层交替层叠设置在所述衬底的正面上。
14.可选地，所述第一结构层的材料包括氮化硅，所述第二结构层的材料包括氢化非晶硅。
15.可选地，所述第一结构层的厚度的数学表达为：
[0016][0017]
其中，h1为第一结构层的厚度，λ为近红外光的波长，n1为氮化硅的折射率。
[0018]
所述第二结构层的厚度的数学表达为：
[0019][0020]
其中，h2为第二结构层的厚度，λ为近红外光的波长，n2为氢化非晶硅的折射率。
[0021]
可选地，若干个所述银微结构阵列设置在所述石墨烯层。
[0022]
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。
[0023]
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为280nm-320nm，所述l型银微结构沿第二方向的长度为330nm-370nm，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。
[0024]
基于相同的构思，本发明还提供了一种位置敏感探测器的制备方法，包括：
[0025]
提供衬底，所述衬底具有相对设置的正面和背面；
[0026]
在所述衬底的正面上形成复合结构反射层；
[0027]
在所述复合结构反射层上形成绝缘介质层；
[0028]
在所述绝缘介质层上形成石墨烯层；
[0029]
在所述石墨烯层上形成若干个银微结构；
[0030]
在所述石墨烯层上形成输出电极；
[0031]
在所述衬底的背面上形成接地电极。
[0032]
可选地，所述在所述石墨烯层上形成若干个银微结构包括：
[0033]
在所述石墨烯层上形成金属银层；
[0034]
在所述金属银层上形成刻蚀掩膜；
[0035]
基于所述刻蚀掩膜，对所述金属银层进行刻蚀处理，形成若干个所述银微结构。
[0036]
可选地，所述在所述衬底的正面上形成复合结构反射层包括：
[0037]
在所述衬底的正面上，交替层叠形成第一结构层和第二结构层，得到所述复合结构反射层。
[0038]
本发明的有益效果：本发明中的位置敏感探测器包括：具有相对设置的正面和背面的衬底；复合结构反射层，设置在衬底的正面上；绝缘介质层，设置在复合结构反射层上；石墨烯层，设置在绝缘介质层上；银微结构，若干个银微结构设置在所述石墨烯层上；输出电极，设置在石墨烯层上；接地电极，设置在衬底的背面上；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，进而解决了位置敏感探测器输出的光电流小所导致的位置检测不准确的问题。
附图说明
[0039]
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。
[0040]
图1是本发明实施例中位置敏感探测器的结构示意图；
[0041]
图2是本发明实施例中复合结构反射层的结构示意图；
[0042]
图3是本发明实施例中石墨烯层与银微结构的复合结构的结构示意图；
[0043]
图4是本发明实施例中位置敏感探测器对入射光的吸收光谱图；
[0044]
图5是本发明实施例中位置敏感探测器的制备方法的流程示意图。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
1-衬底；2-复合结构反射层；21-第一结构层；22-第二结构层；3-绝缘介质层；4-石墨烯层；5-银微结构；6-输出电极；7-接地电极。
具体实施方式
[0047]
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。
[0048]
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。
[0049]
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。
[0050]
请参阅图1，位置敏感探测器包括：衬底1，衬底1具有相对设置的正面和背面；复合结构反射层2，设置在衬底1正面上；绝缘介质层3，设置在复合结构反射层2上；石墨烯层4，设置在绝缘介质层3上；银微结构5，若干个银微结构5设置在石墨烯层4上；输出电极6，设置在石墨烯层5上；接地电极7，设置在衬底1背面上；入射光透过绝缘介质层3，入射到复合结构反射层3，形成反射光；入射光包括近红外光；银微结构5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4横向传输后，再传输到输出电极6；输出电极6接收光生载流子并输出光电流信号，并通过电流计算完成目标位置的检测。通过银微结构5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4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6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，进而解决了位置敏感探测器输出的光电流小所导致的位置检测不准确的问题。可选地，衬底包括但不限于硅、锗。
[0051]
在一实施例中，复合结构反射层包括第一结构层和第二结构层。具体地，复合结构反射层可以包括若干层第一结构层和若干层第二结构层，第一结构层和第二结构层可以交替层叠设置在衬底的正面上。第一结构层的材料包括氮化硅，第二结构层的材料包括氢化非晶硅。第一结构层的厚度的数学表达为：
[0052][0053]
其中，h1为第一结构层的厚度，λ为近红外光的波长，n1为氮化硅的折射率。
[0054]
第二结构层的厚度的数学表达为：
[0055][0056]
其中，h2为第二结构层的厚度，λ为近红外光的波长，n2为氢化非晶硅的折射率。
[0057]
应当理解的是，通过合理设置第一结构层的厚度和第二结构层的厚度，基于此形成的分布式反射镜(复合结构反射层)有很高的反射率，其作用是将入射光反射，使其与金属银微结构充分作用，提高入射光的利用率和量子转换效率。
[0058]
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-250nm，例如可以为50nm、51nm、52nm、53nm、54nm、55nm、100nm、150nm、200nm、250nm等。入射光透过绝缘介质层后，入射到复合结构反射层。
[0059]
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。
[0060]
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，l型银微结构沿第一方向的长度为280nm-320nm，例如可以为280nm、281nm、282nm、283nm、284nm、285nm、290nm、300nm、310nm、320nm；l型银微结构沿第二方向的长度为330nm-370nm，例如可以为330nm、331nm、332nm、333nm、334nm、335nm、340nm、350nm、360nm、370nm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，第一方向垂直于第二方向；沿着第三方向，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第一方向和第二方向。
[0061]
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；具体地，可以在石墨烯层边缘上形成直条形输出电极。
[0062]
在一具体的实施例中，请参阅图2，复合结构反射层包括7层第一结构层和7层第二结构层，第一结构层和第二结构层可以交替层叠设置在衬底的正面上。第一结构层的材料为氮化硅，第二结构层的材料为氢化非晶硅。氢化非晶硅和氮化硅的折射率分别为3.47和1.89，为了探测波长在820nm附近的近红外光，设置氢化非晶硅的厚度为59nm，设置氮化硅的厚度为112nm。
[0063]
在一具体的实施例中，请参阅图3，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
×
400nm，在平行于衬底的正面的平面内，l型银微结构沿第一方向的长度为350nm，l型银微结构沿第二方向的长度为300nm，l型银微结构的宽度为50nm，第一方向垂直于第二方向；沿着第三方向，l型银微结构的厚度为40nm，第三方向分别垂直于第一方向和第二方向。
[0064]
在一具体的实施例中，在位置敏感探测器的每一探测单元中，衬底为硅；复合结构反射层的结构如图2所示，氢化非晶硅的厚度为59nm，设置氮化硅的厚度为112nm；石墨烯为
单层，石墨烯层与银微结构的复合结构如图3所示；在石墨烯层的边缘位置形成输出电极，输出电极的宽度为1mm，输出电极的厚度50nm；采用这种位置敏感探测器对入射光进行探测，使其具有极为优异的光谱响应，位置敏感探测器对入射光的吸收率请参阅图4。由图4可知，对近红外光在820nm附近有显著特征吸收光；并且这种位置敏感探测器响应时间短，输出横向光流信号强，能有效提升这种位置敏感探测器的性能。
[0065]
本施例提供的位置敏感探测器，基于金属的表面等离子激元，当入射光入射到石墨烯与银微结构的复合结构的表面时，l型的金属银表面激励出等离子激元而产生光生电子、空穴对。由于石墨烯和绝缘介质层形成的界面两侧材料的功函数不同，光生空穴向石墨烯层扩散，电子向绝缘电介质层扩散。石墨烯层加速了空穴在其表面向电极两端扩散，减小了载流子的渡越时间，从而增大了表面的横向电势差，增大了输出光电流信号。解决了位置敏感探测器输出的光电流小所导致的位置检测不准确的问题。
[0066]
基于与上述位置敏感探测器相同的构思，本发明还提供一种位置敏感探测器的制备方法，请参阅图5，一种位置敏感探测器的制备方法包括：
[0067]
步骤s110，提供衬底；
[0068]
步骤s120，在衬底的正面上形成复合结构反射层；
[0069]
步骤s130，在复合结构反射层上形成绝缘介质层；
[0070]
步骤s140，在绝缘介质层上形成石墨烯层；
[0071]
步骤s150，在石墨烯层上形成若干个银微结构；
[0072]
步骤s160，在石墨烯层上形成输出电极；
[0073]
步骤s170，在衬底的背面上形成接地电极。
[0074]
具体地，衬底具有相对设置的正面和背面；在所述衬底的正面上形成复合结构反射层包括：在衬底的正面上，交替层叠形成第一结构层和第二结构层，得到复合结构反射层。
[0075]
在一实施例中，可以通过蒸镀或者化学气相沉积的方式在复合结构反射层上形成绝缘介质层；可以将石墨烯铺设在绝缘介质层上，形成石墨烯层，具体地，可以利用机械剥离法、化学气相沉积法制备石墨烯。
[0076]
在一实施例中，在石墨烯层上形成若干个银微结构包括：在所述石墨烯层上形成金属银层；在金属银层上形成刻蚀掩膜；基于刻蚀掩膜，对金属银层进行刻蚀处理，形成若干个银微结构。可以通过蒸镀或者化学气相沉积的方式在石墨烯层上形成金属银层。
[0077]
在一实施例中，在石墨烯层上形成输出电极包括：在石墨烯层的边缘位置通过沉积的方式形成输出电极。在衬底的背面上形成接地电极包括：通过沉积的方式在衬底的背面形成接地电极。
[0078]
本实施例提供了一种位置敏感探测器的制备方法，通过在衬底的正面上依次形成复合结构反射层、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，以及在衬底的背面形成接地电极，从而使得制备得到的位置敏感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。基于本实施例中制备得到的位置敏感探测器，其响
应时间短，输出横向光流信号强，能有效提升这种位置敏感探测器的性能。这种位置敏感探测器的设计与当前光电器件的发展方向高度吻合，其结构不需要复杂的制备工艺，与当前成熟的半导体制备技术以及微米结构制备技术兼容。
[0079]
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。