[发明专利]一种基于肖特基势垒的气体光检测器

说明书

本发明涉及一种基于肖特基势垒的气体光检测器，包括弧面在下方的半圆形透光棱镜，半圆形透光棱镜的平面上方设置有气体感应层，气体感应层的上方设置有N型半导体层，N型半导体层的上方设置有金属层，金属层与外接电源的正极电连接，N型半导体层外接电源的负极电连接；基于肖特基势垒的气体光检测器，通过在检测器中设置气体感应层，由入射光入射气体感应层从而引起肖特基结的肖特基势垒发生变化，不同气体填充在气体感应层，会引起肖特基势垒不同的变化，在已知入射光特性的情况，根据肖特基势垒的变化，判断待测气体的特性，该基于肖特基势垒的气体光检测器，结构简单，实现了基于肖特基势垒检测器的多用能应用。

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种基于肖特基势垒的气体光检测器。

背景技术

光电探测器的物理效应通常分为光子效应和光热效应，对应的探测器分别称为光子型探测器和光热型探测器。各种光子型探测器的共同特征是采用半导体能带材料，光子能量对探测材料中光电子的产生起直接作用，故光子型探测器存在截止响应频率或波长，且光谱响应限于某一波段，因此不同的材料体系决定了探测器具有不同的响应波长范围，一般难以用于宽谱或多谱段探测。对于光热型探测器，在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，从而引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化，故光热效应与光子能量的大小没有直接关系，光热型探测器原则上对频率没有选择性。由于红外波段特别是中长波红外以上波段的光热效应相比紫外和可见光更明显，故光热探测器通常用于中长波光学辐射的探测，典型的光热型探测器包括微测辐射热计、热释电探测器和热偶探测器等种类。由于温度升高是热积累的作用，基于光热效应的热探测器一般响应速度较慢，在毫秒量级。

采用金属-半导体势垒(称为肖特基势垒)代替p-n结的半导体器件已经被开发以将入射光转换成电能。在肖特基势垒光检测器中，硅经常被用作半导体材料，其中所述光检测器工作在电磁能量谱的IR部分。在其最传统的方式中，一个硅基肖特基势垒光电二极管包括一薄的金属膜(比如硅化物膜)，其设置在一硅层上。入射光垂直地(即，″呈直角″)施加至此结构，过相对较薄的金属膜，其中膜仅吸收一小部分光，因此导致极低的外量子效率级。因此，传统的″垂直入射″的光检测器需要一个相对较大的活动检测面积，以便收集足够数量的光能以适当地发挥作用。然而，当检测区增加时，暗电流(不需要的噪声信号)也增加。此外，虽然结构相对简单，但是这样的垂直入射检测器通常要求进行冷却，其又与比较高的暗电流值相关联。

多年来，硅基肖特基势垒光检测器在光的吸收和量子效率方面的改善已经成为许多研究的对象。在一个例子中，如1197年11月11日授权给K.Saito等人的美国专利5,685,919中所公开的，通过在所述金属-半导体的分界面上一表面等离子激元模，可以对光的吸收予以改进。在此结构中，一个半圆柱形的透镜设置在金属层上，并用于将垂直入射的入射光重新定向成与形成表面等离子体激元层相关的一个角度。于1989年8月15日授权给A.C.Yang等人的美国专利4,857,973公开一个可选的肖特基势垒光检测器装置，其中光检测器单晶硅肋形波导单片集成，并定位以当光信号沿着肋形波导在硅化物层的下方通过时，吸收光信号的″尾″。尽管采用Yang等人的结构可以获得吸收效率的改善，但主要的损失依然存在，由于所述肋是通过部分地去除相对较厚的硅层部分而形成，沿着肋形波导结构的侧壁存在散射损失。此外，控制这样的肋形波导结构的尺寸(特别是高度)仍然存在困难，控制其平滑度也是如此。实际上，这样的″肋″结构(特别是具有亚微米级尺寸)的实现对于基于CMOS的常规工艺技术来说存在很大的困难。此外，Yang等人提出的非平面几何结构从制造的观点来说不被认为是优选的理想结构，特别是对于设计结构的可靠性和稳定性来说更是如此。

基于硅基肖特基势垒光检测器的潜在优势，可以非常有利地提供一种相对简单的设备，其具有高的量子效率，并且反应迅速，其制造可以采用与CMOS兼容的平面处理工艺和材料，无需大量的资金或技术投资。

但是，现有的基于肖特基势垒所设计的探测器主要是用于光检测，而缺少更深层次的功能应用。