CN102651421A - 光谱选择性光电探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱选择性光电探测器，包括基底以及在基底上依次设置的等离激元结构层和掺锡氧化铟层，所述等离激元结构层包括多个介质结构单元，每个介质结构单元包括一条状主吸收窗口以及一对或多对条状吸收调节窗口，所述条状吸收调节窗口位于条状主吸收窗口一侧或两侧。本发明还提供一种如上述的光谱选择性光电探测器的制备方法，包括步骤：1）提供基底；2）在基底上生长等离激元结构层并图形化，以形成介质结构单元；3）在等离激元结构层上生长掺锡氧化铟层。

Description

光谱选择性光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及光谱选择性光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是指对光子进行探测的器件。光子探测技术在军事和民用领域都有着广泛而重要的应用前景，例如在民用领域，它可用于火灾监测、光通讯、环境监测、医疗保健等方面；在军事领域，它在紫外告警、紫外通讯、紫外/红外复合制导和导弹探测等方面有广泛的应用。

光电探测器的工作过程包括下面三个步骤：（1）入射光产生载流子；（2）载流子输运和被某种可能存在的电流增益机构倍增；（3）电流和外电路相互作用，提供输出信号。而步骤（1）中入射光产生光生载流子需要的条件为其能量大于半导体禁带宽度，探测器往往会对大于其禁带宽度的光谱范围都有响应，探测器的光谱选择性较差，例如对于氮化镓半导体材料，对于入射光波长小于365nm的入射光都有响应。而在很多情况下，需要对某一特定波长或波段的光谱进行探测，这时候就需要光子探测器具有很高的光谱选择性。为了实现高光谱选择性，通常需要在探测器上加一个或多个滤波器或者更改半导体能带结构。这种滤波器一般体积较大，易碎并且价格昂贵，这就增加了探测器的复杂程度和造价，也使得探测器的适用范围大为缩小。半导体能带结构的精确调节也会带来更高的成本。

2011年，Mark W. Knight等人提出利用纳米级金属条状结构结合Si衬底，利用等离激元激发的热电子越过肖特基结，以实现对于红外光的探测，而通过使用不同尺寸的金属条状结构阵列实现了对于入射光波长的选择性吸收。该结构避免了“滤波器”的引入，但受制于金属结构消光峰的较宽半高宽（100 nm以上），其光谱选择性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供光谱选择性光电探测器及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种光谱选择性光电探测器，包括基底以及在基底上依次设置的等离激元结构层和掺锡氧化铟层，所述等离激元结构层包括多个介质结构单元，每个介质结构单元包括一条状主吸收窗口以及一对或多对条状吸收调节窗口，所述条状吸收调节窗口位于条状主吸收窗口一侧或两侧。

所述基底和等离激元结构层之间进一步包括依次按照远离基底方向设置于基底上的N型掺杂半导体层和粘附层。

所述基底为PIN光电二极管、雪崩光电二极管中任意一种。

所述每个介质结构单元中所有条状吸收调节窗口均互相平行且与条状主吸收窗口相垂直。

所述条状吸收调节窗口和条状主吸收窗口通过绝缘介质隔离。

所述介质结构单元的材质为金属材料或石墨烯材料，所述金属材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种组合物。

所述粘附层的材料为Cr、Ti、Ni、TiN中任意一种或几种组合物。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种如上述的光谱选择性光电探测器的制备方法，包括步骤：

1）提供基底；

2）在基底上生长等离激元结构层并图形化，以形成多个介质结构单元；

3）在等离激元结构层的裸露表面上生长掺锡氧化铟层。

步骤2）的图形化方法采用电子束光刻、纳米压印技术、电子束蒸发以及磁控溅射中任意一种。

步骤1）与步骤2）之间还包括步骤：在所述基底和等离激元结构层之间依次按照远离基底方向在基底的裸露表面上生长N型掺杂半导体层和粘附层。

步骤2）与步骤3）之间还包括步骤：在等离激元结构层的裸露表面生长绝缘介质以隔离条状吸收调节窗口和条状主吸收窗口。

本发明的优点在于，通过在金属条状结构的条状主吸收窗口的双边或单边引入多翼结构，在原本较宽的主吸收峰位的两侧或一侧引入条状吸收调节窗口，藉此实现了对于吸收峰半高宽的降低，从而提高了光电流响应对于波长的分辨率。同时，随着两侧翼或单侧翼的条状吸收调节窗口成对增加，通过两侧多翼暗态直接的耦合作用，将次吸收峰区逐渐消除。因此，等离激元金属结构起到了“滤波器”的作用。而通过使用不同等离激元层的结构尺寸，可以实现对整个可见光区中某较窄的特定波段进行选择性的吸收，从而实现了具有高光谱选择性可见光电探测器。

该器件结构简单，易加工，并且不需额外增加配件可以实现高的光谱选择性探测。

附图说明

图1是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器第一具体实施方式的结构图；

图2是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器第一具体实施方式的横截面结构图；

图3是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例一等离激元结构层水平界面结构；

图4是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例一等离激元结构层对入射光的吸收光谱图；

图5是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例二等离激元结构层水平界面结构；

图6是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例二等离激元结构层对入射光的吸收光谱图；

图7是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例三等离激元结构层水平界面结构；

图8是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例三等离激元结构层对入射光的吸收光谱图；

图9是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例四等离激元结构层水平界面结构；

图10是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例四等离激元结构层对入射光的吸收光谱图；

图11是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例五的横截面结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的光谱选择性光电探测器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

第一具体实施方式

图1所示为所述一种光谱选择性光电探测器第一具体实施方式的结构图。其中x，y与z分别代表坐标轴x轴、y轴与z轴。

图2所示为所述一种光谱选择性光电探测器第一具体实施方式的横截面结构图。其中x，y与z分别代表坐标轴x轴、y轴与z轴。

本发明提供了一种光谱选择性光电探测器，包括基底101以及在基底101上依次设置的N型掺杂半导体层102、等离激元结构层和掺锡氧化铟（Indium Tin Oxides，简称ITO）层104，所述等离激元结构层包括多个介质结构单元103，每个介质结构单元103包括一条状主吸收窗口105以及一对结构尺寸相同的条状吸收调节窗口106，所述条状吸收调节窗口106位于条状主吸收窗口105两侧。

作为可选实施方式，所述基底101为PIN光电二极管、雪崩光电二极管等光电探测器的半导体结构部分。

作为可选实施方式，所述基底101为硅衬底。

作为可选实施方式，基底101和N型掺杂半导体层102组合结构可采用N型掺杂硅基底替代。

作为可选实施方式，N型掺杂半导体层102和等离激元结构层中介质单元103之间还包括粘附层，粘附层可进一步提高介质单元103的材质和N型掺杂半导体层102的材质之间粘附性。所述粘附层的材料为Ni，作为可选实施方式，粘附层的材料还可以为Cr、Ti、Ni、TiN中任意一种或几种组合物。

作为可选实施方式，所述条状吸收调节窗口106可位于条状主吸收窗口105一侧。

作为可选实施方式，所述掺锡氧化铟层104的材料可选用其他类似的透明氧化物电极实现。

介质结构单元103的排列是根据探测器所探测对象而做相应排列的调整。

所述每个介质结构单元103中所有条状吸收调节窗口106均互相平行且与条状主吸收窗口105相垂直。

作为可选实施方式，所述每个介质结构单元103中所有条状吸收调节窗口106为互不平行，且与条状主吸收窗口105成一恒定锐角，锐角角度范围为0o至89o。

作为可选实施方式，条状主吸收窗口105的一侧或两侧有多对条状吸收调节窗口106分布， 且多对条状吸收调节窗口106以对为单位，依次按照远离条状主吸收窗口105方向分布在条状主吸收窗口105的一侧或两侧。

作为可选实施方式，所述条状吸收调节窗口106与条状主吸收窗口105间距离、条状吸收调节窗口106之间距离的范围均为10nm至30nm。单个介质结构单元103内部，条状吸收调节窗口106与条状主吸收窗口105间距离过大的话，条状吸收调节窗口106与条状主吸收窗口105间距离，包括条状吸收调节窗口106之间直接的耦合作用会比较弱，不利于实现对吸收峰半高宽的压窄。

所述条状吸收调节窗口和条状主吸收窗口通过绝缘介质隔离。所述绝缘隔离介质为二氧化硅、氮化硅等绝缘介质。

所述介质结构单元103的材质为金属材料或石墨烯材料，所述金属材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种组合物。

所述N型掺杂半导体层102为N型掺杂的ZnO、GaN、Si中任意一种。

上述光谱选择性光电探测器工作时，等离激元结构层在光的作用下，吸收特定波长形成等离激元，等离激元弛豫过程中生成热电子空穴对。热电子通过热电子发射的方式越过粘附层与N型掺杂半导体层102组成的Ni/N型半导体的肖特基势垒并注入至N型掺杂半导体层102的导带以产生光电流，或者热电子通过量子隧穿方式的注入至N型掺杂半导体层102的导带，产生光电流。通过热电子产生光电流这一原理使得能量低于半导体带隙的光子也可以被检测到。

第二具体实施方式

本具体实施方式提供了一种如上述的光谱选择性光电探测器的制备方法，包括步骤：

1）提供基底101；

2）在所述基底101裸露表面上生长N型掺杂半导体层102；

3）在N型掺杂半导体层102裸露表面上依次生长粘附层与等离激元结构层并图形化等离激元结构层，以形成多个介质结构单元103；

4）在等离激元结构层的裸露表面生长绝缘介质以隔离条状吸收调节窗口106和条状主吸收窗口105，并采用化学机械抛光法抛光绝缘介质直至显露出介质结构单元103；

5）在等离激元结构层裸露表面上生长ITO层104。

作为可选实施方式，步骤1）与步骤2）的步骤组合可替换成步骤：提供N型掺杂硅基底，则步骤3）相应调整为：在N型掺杂硅基底的裸露表面上依次生长粘附层与等离激元结构层并图形化等离激元结构层，以形成多个介质结构单元103。

作为可选实施方式，生长粘附层的步骤可省略。

作为可选实施方式，步骤3）的图形化方法采用电子束光刻、纳米压印技术、电子束蒸发以及磁控溅射中任意一种。

作为可选实施方式，步骤3）中还可选择在图形化等离激元结构层的同时，图形化粘附层，使得介质结构单元103通过粘附层与N型掺杂半导体层102接触。

作为可选实施方式，步骤5）中的ITO层104的材料可选用其他类似的透明氧化物电极实现。

作为可选实施方式，步骤5）中的ITO层104的生长采用电子束蒸发、磁控溅射及类似方法。

接下来提供本发明的若干实施例。

实施例一

图3所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例一等离激元结构层水平界面结构。

本实施例提供了一种光谱选择性光电探测器，包括一基底、一N型掺杂半导体层、一等离激元结构层/粘附层、一ITO层。等离激元结构层/粘附层置于所述N型半导体层的裸露表面上，ITO层置于所述等离激元结构层/粘附层的裸露表面上。

所述等离激元结构层/粘附层，意为粘附层与等离激元结构层依次按照远离N型掺杂半导体层方向设置在N型掺杂半导体层上。

所述等离激元结构层包括多个周期性排列的介质结构单元，每个介质结构单元包括一条状主吸收窗口105以及一对结构尺寸相同且互相平行的条状吸收调节窗口106，一对条状吸收调节窗口106位于条状主吸收窗口105一侧。

本实施例中，等离激元层厚度20nm，等离激元层采用图3所示水平界面形状为单条金属的阵列结构，每个结构单元尺寸为：L1=128 nm， W1=50 nm， L2= 90 nm， W2=30 nm，D12=20 nm， D2=30 nm。

其中，L1代表条状主吸收窗口105的长度，W1代表条状主吸收窗口105的宽度，L2代表条状吸收调节窗口106的长度，W2代表条状吸收调节窗口106的宽度度，D12代表条状主吸收窗口105与最邻近的条状吸收调节窗口106的距离， D2代表条状吸收调节窗口106之间的距离。

其中，N型掺杂半导体层的材料可以为N型掺杂的ZnO、GaN、Si中任意一种；介质结构单元的材料为支持可见光或红外光频率下的等离子激元振荡的石墨烯材料或金属材料，所述金属材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种。

图4所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例一等离激元结构层对入射光的吸收光谱图，其中主吸收峰位：753 nm；次吸收峰位：646 nm。

实施例二

图5所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例二等离激元结构层水平界面结构。

该实施例中等离激元结构阵列中每个介质结构单元采用的结构与实施例一相比在条状主吸收窗口105的另外一侧添加一对尺寸结构相同的一对条状吸收调节窗口106。换而言之，即实施例二中的探测器结构与实施例一中探测器结构不同的是：一对条状吸收调节窗口106位于条状主吸收窗口105两侧。

每个结构单元尺寸为：L1=128 nm， W1=50 nm， L2= 90 nm， W2=30 nm，D12=20 nm， D2=30 nm。

图6所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例二等离激元结构层对入射光的吸收光谱图，其中主吸收峰位：790 nm，次吸收峰位：636 nm。

实施例三

图7所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例三等离激元结构层水平界面结构。

与实施例二中不同的是：如图7所示，该实施例中等离激元结构阵列中每个介质结构单元采用的结构与实施例二相比在条状主吸收窗口105两侧各增加一对结构尺寸相同的条状吸收调节窗口106。

换而言之，即实施例三中的探测器结构与实施例二中探测器结构不同的是：两对条状吸收调节窗口106位于条状主吸收窗口105两侧。

每个结构单元尺寸为：L1=128 nm，W1=50 nm，L2= 90 nm，W2=30 nm，D12=20 nm，D2=30 nm。

图8所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例三等离激元结构层对入射光的吸收光谱图。其中主吸收峰位：757 nm，次吸收区的次吸收峰位：被逐渐消除掉。

实施例四

图9是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例四等离激元结构层水平界面结构。

与实施例二中不同的是：如图9所示，该实施例中等离激元结构阵列中每个介质结构单元采用的结构与实施例二相比在条状主吸收窗口105两侧各增加两对结构尺寸相同的两对条状吸收调节窗口106。

换而言之，即实施例四中的探测器结构与实施例二中探测器结构不同的是：三对条状吸收调节窗口106位于条状主吸收窗口105两侧。

每个结构单元尺寸为：L1=128 nm， W1=50 nm， L2= 90 nm， W2=30 nm，D12=20 nm， D2=30 nm。

图10是本发明提供的一种光谱选择性光电探测器实施例四等离激元结构层对入射光的吸收光谱图。其中主吸收峰位：757 nm，次吸收区的次吸收峰位：被逐渐消除掉。

实施例五

图11所示为所述的一种光谱选择性光电探测器实施例五横截面示意图。其中x，y与z分别代表坐标轴x轴、y轴与z轴。

本实施例提供了一种光谱选择性光电探测器，包括一衬底层1101、一本征半导体层1102、一等离激元结构层/粘附层1103、一重掺杂P型层1104、一重掺杂N型层1105。等离激元结构层/粘附层1103置于所述本征半导体层1102的裸露表面上，重掺杂P型层1104、重掺杂N型层1105置于所述本征半导体层110的裸露表面上。

所述等离激元结构层/粘附层1103，意为粘附层与等离激元结构层依次按照远离本征半导体层1102方向设置在本征半导体层1102上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种光谱选择性光电探测器，包括基底以及在基底上依次设置的等离激元结构层和掺锡氧化铟层，其特征在于，所述等离激元结构层包括多个介质结构单元，每个介质结构单元包括一条状主吸收窗口以及一对或多对条状吸收调节窗口，所述条状吸收调节窗口位于条状主吸收窗口一侧或两侧。

2.根据权利要求1所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述基底和等离激元结构层之间进一步包括依次按照远离基底方向设置于基底上的N型掺杂半导体层和粘附层。

3.根据权利要求1所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述基底为PIN光电二极管、雪崩光电二极管中任意一种。

4.根据权利要求1所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述每个介质结构单元中所有条状吸收调节窗口均相互平行且与条状主吸收窗口相垂直。

5.根据权利要求4所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述条状吸收调节窗口和条状主吸收窗口通过绝缘介质隔离。

6.根据权利要求1所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述介质结构单元的材质为金属材料或石墨烯材料，所述金属材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种组合物。

7.根据权利要求2所述的光谱选择性光电探测器，其特征在于，所述粘附层的材料为Cr、Ti、Ni、TiN中任意一种或几种组合物。

8.一种如权利要求1所述的光谱选择性光电探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）提供基底； 2）在基底上生长等离激元结构层并图形化，以形成多个介质结构单元； 3）在等离激元结构层上生长掺锡氧化铟层。

9.根据权利要求8所述的光谱选择性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤2）的图形化方法采用电子束光刻、纳米压印技术、电子束蒸发以及磁控溅射中任意一种。

10.根据权利要求8所述的光谱选择性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤1）与步骤2）之间还包括步骤：在所述基底和等离激元结构层之间依次按照远离基底方向在基底的裸露表面上生长N型掺杂半导体层和粘附层。

11.根据权利要求8所述的光谱选择性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤2）与步骤3）之间还包括步骤：在等离激元结构层的裸露表面生长绝缘介质以隔离条状吸收调节窗口和条状主吸收窗口。

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