CN104064620A - 一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 - Google Patents
一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104064620A CN104064620A CN201410243025.4A CN201410243025A CN104064620A CN 104064620 A CN104064620 A CN 104064620A CN 201410243025 A CN201410243025 A CN 201410243025A CN 104064620 A CN104064620 A CN 104064620A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photodetector
- metallic diaphragm
- strengthens
- surface phasmon
- thickness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 65
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 title abstract 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 24
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 14
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 11
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 6
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000004702 methyl esters Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920006267 polyester film Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 11
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 229920000089 Cyclic olefin copolymer Polymers 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底，其特征在于所述基底上由下而上依次设置下金属膜层、下电介质隔层、上金属膜层、上电介质隔层和金属光栅层，还包括上、下金属膜层电极导线，分别连接至上、下金属膜层上作为探测器的输出端口。因本设计中作为核心的金属光栅层会带来光栅层的局域陷光效应，以及上、下金属膜层光吸收的明显差异导致的电子流隧穿效应，故本发明的这种光电探测器同时具备体积小(纳米量级)、耗材少、结构相对简单、易于加工、光谱响应宽、探测角度大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，属于探测和传感技术领域。
背景技术
将入射光子转化为电子是光电探测器件的主要工作过程，在现代光电探测器件的发展过程中，器件体积越来越小，所使用的原材料也朝着来源广、无毒害等方向发展，并且器件的灵敏度、响应度等也在逐渐提升。传统光电探测器件是利用光照半导体材料，从而在其中产生载流子，通过收集光生载流子产生光电流来探测入射光的强度。
在当前主流的光电探测器中，半导体材料的厚度虽然可降至微米量级，但在耗材成本、制造工艺等方面还存在着诸多限制，而半导体材料对应的有限吸收带宽也是制约其广泛应用的主要因素。因此，发展区别于半导体技术的新型光电探测器件具有很好的应用前景。
本发明提出一种基于表面等离激元耦合的金属-绝缘体-金属(MIM)的亚波长光电探测器，是利用金属光栅产生的表面等离激元的局域陷光效应，使大部分的入射光被限制在金属光栅周围，所以光栅周围的金属可吸收大部分入射光，并在金属内部激发热电子。热电子先后经历在金属中的传输、在金属-绝缘体之间的隧穿、被电极收集等过程，在上下金属电极之间形成电流，为探测器提供电流信号，从而可评估入射光。
近年来，对热电子相关理论及应用的研究引起了越来越多研究人员的兴趣，并取得了一些重要成果。如F.Wang和N.A.Melosh揭示了金属-介质-金属的亚波长结构在光照射下热电子的收集过程(Nano Letters,2011,11(12):5426–5430)以及上下表面金属板之间开路电压随不同入射光照条件下的变化情况(Nature Communications,2013，4:1711–1717)，H.Chalabi等对热电子光电探测器的理论及实验研究(Nano Letters,2014,14(3):1374–1380)，为纳米尺度MIM光电探测器的开发奠定了良好的基础。
对于传统半导体的探测器，当前理论及技术存在的问题有：(1)设计的光电探测器体积比较大，不利于集成和降低原材料成本；(2)探测器的光谱响应范围不够宽，只是在比较窄的光谱范围内响应比较好；(3)所选用的大部分光电敏感材料要么具有毒害性，要么属稀有材料(对应成本高)。
发明内容
本发明目的是：针对背景中提到的现有技术的不足，提供一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，该器件同时具备体积小(纳米量级)、所需耗材少、结构相对简单、易于加工、光谱响应宽、探测角度大等特点。
本发明的技术方案是：一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底，其特征在于基底上由下而上依次设置下金属膜层、下电介质隔层、上金属膜层、上电介质隔层和金属光栅层，还包括上、下金属膜层电极导线，分别连接至上、下金属膜层上作为探测器的输出端口。
进一步的，本发明中所述金属光栅层的厚度为10～50nm，周期为500～1000nm，光栅占空比为0.2～0.6。
更进一步的，本发明中所述金属光栅层的材料选自金、银、铝之一。
进一步的，本发明中所述上电介质隔层的厚度为10～30nm，而下电介质隔层的厚度为3～8nm。
进一步的，本发明中所述上金属膜层的厚度为20～30nm，而下金属膜层的厚度为40～50nm。
进一步的，本发明中所述石英基底的厚度为300～3000μm。
进一步的，本发明中所述下金属膜层和上金属膜层的材料均选自金、银、铝之一。
进一步的，本发明中所述下电介质隔层的材料选自氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、二氧化钛TiO2、五氧化二铌Nb2O5、氧化铪HfO2和二氧化硅SiO2之一。
进一步的，本发明中所述上电介质隔层的材料选自二氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3之一。
进一步的，本发明中所述基底材料选自聚甲基丙烯酯甲酯PMMA、聚酯薄膜PEP和石英之一。
需要说明的是：本发明中的金属光栅层为周期性排列的一维结构，具有一定的宽度、周期和占空比(占空比＝宽度/周期)，本申请统一使用周期和占空比来表示，不再使用宽度的概念。本次发明对于不同光谱段的探测是通过改变器件的结构参数(主要是金属光栅的参数)来实现的，金属光栅的周期、厚度、宽度(宽度除于周期为占空比)等都影响着表面等离激元激发的光谱范围。所以，通过调整这些参数来探测不同光谱波段的光。
对上、下表面金属膜层与下电介质隔层接触面的解释：本次发明的光电探测器的工作原理是基于表面等离激元效应激发的热电子隧穿过程，而金属与电介质的接触势垒对热电子的穿透概率具有决定性的作用。器件制备工艺、材料的选取等都会影响接触势垒，所以本次发明中接触势垒采用的都是理想的估计值。
本发明设计的器件主要由金属光栅-介质膜-金属膜-介质膜-金属膜(MIMIM)组成。
此光电探测器的工作机制是上表层的金属光栅在入射光照射下产生局域表面等离激元效应，将绝大部分入射光限制在光栅附近；同时，上金属膜层吸收光子，金属内部的自由电子吸收光子后变为热电子，热电子在金属内部能传输一段距离(即切肤深度，也称为电子的平均自由程，一般为几十纳米)，由于上金属膜层的厚度也为数十纳米，所以热电子穿过金属及电介质到达下金属膜层就具有一定的概率，从而形成电子向下漂移的过程。下金属膜层同样重复着上金属膜层的过程。然而，入射光透过上表面金属后，仅有很少一部分光能够被下表面金属吸收，所以上、下金属膜层吸收光的明显差异导致了对向热电子流的差异，从而形成净光电流，此电流可用于光电探测。此外，为增强该光电探测器的灵敏度和响应度，在上、下金属膜层加上一定的偏置电压，可增加上表面热电子向下注入的概率，并抑制下表面的热电子向上注入的概率。
本发明的优点是：
(1)本发明中的光电探测器的光谱响应宽，它不受传统半导体中禁带宽度的影响，只需改变金属光栅的结构参数(即光栅的周期和占空比)，或者选择合适的金属-电介质接触材料(即选择合适的上、下表面金属与下电介质隔层材料，接触层面即为下金属膜层-下电介质隔层，下电介质隔层-上金属膜层之间的接触，详见实施例1)，可使其对应的响应光谱由紫外(UV)扩展到红外(IR)波段。
(2)本发明光电探测器的耗材少，所述膜层厚度都在几十纳米量级。
(3)本发明光电探测器在短波长处(～550nm)对入射角度的要求不高，探测角度大。
(4)本发明光电探测器所需材质来源广泛，如金属可用铝，介质隔层可用二氧化硅等。
(5)本发明的光电探测器，在短波处(～550nm)对光的偏振敏感度不高，在长波处TM偏振光的光谱响应好。
(6)本发明最主要的特色是在传统的“金属-绝缘体-金属”层的架构上加入了金属光栅层，利用最上面的金属光栅层将电磁场耦合到“金属-绝缘体-金属”层中去，考虑到光栅易于制作、光栅的表面等离激元激发效率高，此结构还能将光子的吸收与热电子的收集分开，各部分制作相对独立，故此器件的制备操作性好、良品率高。
本发明的设计核心在于金属光栅层，此设计会带来光栅层的局域陷光，以及分开上、下金属膜层光吸收和激发电子的隧穿效应。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明设计的光电探测器的结构示意图。
其中：11、石英基底；12、下金属膜层；13、下电介质隔层；14、上金属膜层；15、上电介质隔层；16、金属光栅层；101、下金属膜层电极导线；102、上金属膜层电极导线。
图2为在TM(即电场方向垂直金属光栅凹槽)偏振光照射的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。
图3为在TE(即电场方向平行于金属光栅凹槽)偏振光照射的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。
图4为不同入射角度下，上、下金属膜层对光响应吸收比较曲线图。
图5为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为500nm，占空比为0.36，厚度为50nm的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。
图6为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为800nm、占空比为0.3、厚度为30nm的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。
图7为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为1000nm、占空比为0.3、厚度为50nm的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。
具体实施方式
实施例1：本次发明的结构参数是通过求解电磁场，利用有限元算法仿真优化得出，本结构的具体光吸收特性将在附图中给出。
结合图1所示，本实施例提供的这种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其采用基底11(材质为石英，厚度为1000μm，厚度一般比较厚，以实际操作方便为出发点)，在基底11上由下而上依次设置下金属膜层12(材质为金，厚度为50nm)、下电介质隔层13(材质为氧化铝，厚度为3nm)、上金属膜层14(材质为金，厚度为20nm)、上电介质隔层15(材质为二氧化硅，厚度为30nm)和金属光栅层16(材质为金，厚度为50nm，周期为500nm，占空比为0.36)，还包括上、下金属膜层电极导线102、101，分别连接至上、下金属膜层14、12上作为探测器的输出端口。通过有限元方法的模拟分析，其上、下金属膜层14、12的吸收如附图5所示，从图中可以看出，在波长为1150nm～1300nm处，上、下金属膜层14、12的光吸收差比较大，借此可探测出该波段处入射光子的细微差别。
参照图1，本发明的结构是集成在石英基底11上，其具体的制备方法如下：
1)在经过清洗的石英基底11上运用电子束蒸发技术，即在50W条件下蒸镀10s得到5nm的钛黏附层，然后利用Anelva E-200S溅射系统在黏附层上镀金30s形成下金属膜层12，其厚度为50nm；
2)冷却清洗后，在150℃、20sccm N2气体流量下，利用原子层沉积技术沉积3nm的氧化铝，形成下电介质隔层13；
3)利用Anelva E-200S溅射系统在下电介质隔层13上镀金薄膜15s，得到20nm的上金属膜层14；
4)冷却后，利用等离子体增强化学气相沉积技术在上金属膜层14表面形成30nm的二氧化硅作为上电介质隔层15；
5)将环烯烃聚合物(COP)薄膜旋涂在二氧化硅上电介质隔层15上，在旋涂过程中应高于3000r/min的转速，以保证旋涂膜层的均匀。接着使用SCIVAX、X-200型纳米压印机，压印COP薄膜，得到凹槽模板后。再次利用Anelva E-200S溅射系统在上电介质隔层15上镀金薄膜30s，得到金薄膜的厚度为50nm。利用反应离子刻蚀机对纳米复合结构进行刻蚀，用Ar和CF4混合气体在室温下刻蚀金15s，并用氧反应离子刻蚀残留的COP层，在气体流速为50cm3/min，射频功率为100W、反应压力为10Pa的刻蚀参数下，使得刻蚀速率在200nm/min，最后用丙酮溶液超声清洗掉光刻胶，就可制备出50nm的金属光栅层16结构，周期为500nm，占空比为0.36。最后，在上、下金属薄层14、12处各引出一条电极导线(即上、下金属膜层电极导线102、101)，与外界电路连接。
上述实施例中制备出的金属光栅层16厚度为50nm，周期500nm，占空比0.36)，上、下金属膜层14、12的厚度分别为20nm、50nm，利用基于麦克斯韦方程组的有限元模拟方法，可得到此器件在无外界偏压下对于400nm波长的光响应度为～1μA/W，此器件可突破常规半导体禁带宽度的限制。另外，在优化器件结构、增加偏压等条件下，可进一步提高其响应度。
如图2所示为在TM(即电场方向垂直于金属光栅的凹槽)偏振光照射的条件下，在300～800nm波段范围内，上金属膜层14的光吸收明显高于下金属膜层12；光吸收的差异会导致上、下金属膜层14、12间产生净电流流通，从而可进行光子探测。
如图3所示为在TE(即电场方向平行于金属光栅的凹槽)偏振光照射的条件下，在300～800nm波段范围内，上金属膜层14的光吸收明显高于下金属膜层12；光吸收的差异会导致上、下金属膜层14、12间产生净电流流通，从而可进行光子探测。
如图4所示为不同入射角度下，上、下金属膜层14、12对光响应吸收比较曲线图。由图可知，在整个波段内随着入射角度的增加，上、下金属膜层14、12对应的光吸收变化趋势基本一致(均有下降)。当入射角度小于40°时，上、下金属膜层14、12的光吸收随角度的增加下降比较缓慢，而当入射角度大于60°时，整个波段内两层金属膜层14、12的光吸收下降幅度均明显。
实施例2：其结构参见图1，与实施例1相同，不同之处在于金属光栅的周期由实施例1中500nm变为800nm，即占空比仍然为0.3，金属光栅的厚度为50nm。通过有限元方法模拟，可得到上、下金属膜层14、12对光谱的响应情况。如附图6所示，通过调整金属光栅的周期、占空比及厚度，从而改变表面等离激元的共振波长，影响器件在不同光谱范围内对光的响应的差异。对于本实施例，从附图6中也可以看出，在波长为1350～1550nm处，上、下金属膜层14、12对光的吸收差较大，所以可以利用此结构对上述波段入射光子的细微变化进行探测。
实施例3：其结构参见图1，与实施例1相同，不同之处在于金属光栅的周期由实施例1中的500nm变为1000nm，即占空比仍然为0.3，金属光栅的厚度为50nm。通过有限元方法模拟，可得到上、下金属膜层14、12对光谱的响应情况。如附图7所示，通过调整金属光栅的周期、占空比及厚度，从而改变表面等离激元的共振波长，影响器件在不同光谱范围内对光的响应的差异。对于本实施例，从附图7中可以看出，在波长为1600～1900nm处，上、下金属膜层14、12对光的吸收差比较大，所以可以利用此结构对上述波段入射光子的细微变化进行探测。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，比如改变尺寸、形状或者改变材料等，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底(11)，其特征在于所述基底(11)上由下而上依次设置下金属膜层(12)、下电介质隔层(13)、上金属膜层(14)、上电介质隔层(15)和金属光栅层(16)，还包括上、下金属膜层电极导线(102、101)，分别连接至上、下金属膜层(14、12)上作为探测器的输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述金属光栅层(16)的厚度为10～50nm，周期为500～1000nm，光栅占空比为0.2～0.6。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述金属光栅层(16)的材料选自金、银、铝之一。
4.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述上电介质隔层(15)的厚度为10～30nm，而下电介质隔层(13)的厚度为3～8nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述上金属膜层(14)的厚度为20～30nm，而下金属膜层(12)的厚度为40～50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述基底的厚度为300～3000μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述下金属膜层(12)和上金属膜层(14)的材料均选自金、银、铝之一。
8.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述下电介质隔层(13)的材料选自氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、二氧化钛TiO2、五氧化二铌Nb2O5、氧化铪HfO2和二氧化硅SiO2之一。
9.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述上电介质隔层(15)的材料选自二氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3之一。
10.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述基底材料选自聚甲基丙烯酯甲酯PMMA、聚酯薄膜PEP和石英之一。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410243025.4A CN104064620A (zh) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | 一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410243025.4A CN104064620A (zh) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | 一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104064620A true CN104064620A (zh) | 2014-09-24 |
Family
ID=51552246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410243025.4A Pending CN104064620A (zh) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | 一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104064620A (zh) |
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105547337A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-05-04 | 上海大学 | Mim环形刻槽结构传感器 |
| CN105698677A (zh) * | 2016-02-06 | 2016-06-22 | 厦门大学 | 一种基于表面等离激元的四象限探测器 |
| CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
| CN107229087A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-10-03 | 天津理工大学 | 一种可实现宽带等离激元诱导透明窗口的纳米棒聚合结构 |
| CN108254349A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-06 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 像增强型全光固体超快成像探测器 |
| CN108732138A (zh) * | 2017-04-15 | 2018-11-02 | 大连理工大学 | 一种光子超颖表面生物传感器 |
| WO2018209654A1 (zh) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | 中国科学院半导体研究所 | 单色光波长识别的器件、系统和方法 |
| CN109004041A (zh) * | 2017-06-06 | 2018-12-14 | 清华大学 | 太阳能电池 |
| CN109282903A (zh) * | 2017-07-20 | 2019-01-29 | 南京大学 | 基于表面电磁波共振的高性能cmos 红外微测辐射热计 |
| CN109545179A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-29 | 江西师范大学 | 一种基于耐火材料的超宽带近完美光吸收体 |
| CN109755713A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-14 | 南京航空航天大学 | 基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法 |
| CN109755331A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-05-14 | 东南大学 | 一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器 |
| CN110112298A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-09 | 杭州师范大学 | 一种用于钙钛矿光电探测器的光学调制层及其应用 |
| CN110133770A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-16 | 中国科学院微电子研究所 | 纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法 |
| CN110291429A (zh) * | 2017-01-30 | 2019-09-27 | 阿尔托大学基金会 | 等离激元装置 |
| CN110459876A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-15 | 桂林电子科技大学 | 一种基于二维简单超材料结构的超宽带吸波体 |
| CN111477700A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-07-31 | 苏州大学 | 基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法 |
| CN111552014A (zh) * | 2020-05-17 | 2020-08-18 | 桂林电子科技大学 | 一种横向mim格点阵等离激元吸收器 |
| CN111653631A (zh) * | 2020-06-10 | 2020-09-11 | 苏州大学 | 工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器及制造方法 |
| CN112067673A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-11 | 南京大学 | 一种电化学系统及改变等离激元传感器响应模式的方法 |
| CN115004386A (zh) * | 2020-01-14 | 2022-09-02 | 金勋 | 表面等离子体光子学电场增强型光电探测器及图像传感器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184975A (zh) * | 2011-04-11 | 2011-09-14 | 复旦大学 | 一种能增加光电转换效率的薄膜太阳能电池及其制造方法 |
| CN103811580A (zh) * | 2014-03-05 | 2014-05-21 | 中国科学院半导体研究所 | InGaAs红外光探测器 |
-
2014
- 2014-06-03 CN CN201410243025.4A patent/CN104064620A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184975A (zh) * | 2011-04-11 | 2011-09-14 | 复旦大学 | 一种能增加光电转换效率的薄膜太阳能电池及其制造方法 |
| CN103811580A (zh) * | 2014-03-05 | 2014-05-21 | 中国科学院半导体研究所 | InGaAs红外光探测器 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| （美）施敏，伍国珏: "《半导体器件物理》", 30 June 2008 * |
| FATIH B. ATAR, ENES BATTAL, LEVENT E. AYGUN等: "Plasmonically enhanced hot electron based photovoltaic device", 《OPTICS EXPRESS》 * |
| FUMING WANG，NICHOLAS A. MELOSH: "Hot-Electron Photodetection with a Plasmonic Nanostripe Antenna", 《NANO LETTERS》 * |
| ZHONGHUI CHEN, CHINHUA WANG, FUYANG XU等: "Reflective plasmonic waveplates based on metal–insulator–metalsubwavelength rectangular annular arrays", 《PHOTONICS AND NANOSTRUCTURES – FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS》 * |
| 陈志强: "《低温多晶硅（LTPS）显示技术》", 30 April 2006 * |
Cited By (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105547337A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-05-04 | 上海大学 | Mim环形刻槽结构传感器 |
| CN105547337B (zh) * | 2015-12-23 | 2018-05-01 | 上海大学 | Mim环形刻槽结构传感器 |
| CN105698677A (zh) * | 2016-02-06 | 2016-06-22 | 厦门大学 | 一种基于表面等离激元的四象限探测器 |
| CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
| CN110291429A (zh) * | 2017-01-30 | 2019-09-27 | 阿尔托大学基金会 | 等离激元装置 |
| CN108732138A (zh) * | 2017-04-15 | 2018-11-02 | 大连理工大学 | 一种光子超颖表面生物传感器 |
| CN107229087A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-10-03 | 天津理工大学 | 一种可实现宽带等离激元诱导透明窗口的纳米棒聚合结构 |
| WO2018209654A1 (zh) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | 中国科学院半导体研究所 | 单色光波长识别的器件、系统和方法 |
| CN109004041A (zh) * | 2017-06-06 | 2018-12-14 | 清华大学 | 太阳能电池 |
| CN109282903A (zh) * | 2017-07-20 | 2019-01-29 | 南京大学 | 基于表面电磁波共振的高性能cmos 红外微测辐射热计 |
| CN108254349A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-06 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 像增强型全光固体超快成像探测器 |
| CN108254349B (zh) * | 2018-02-02 | 2024-04-05 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 像增强型全光固体超快成像探测器 |
| CN109755331A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-05-14 | 东南大学 | 一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器 |
| CN109545179A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-29 | 江西师范大学 | 一种基于耐火材料的超宽带近完美光吸收体 |
| CN109545179B (zh) * | 2018-12-29 | 2022-02-15 | 江西师范大学 | 一种基于耐火材料的超宽带近完美光吸收体 |
| CN109755713A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-14 | 南京航空航天大学 | 基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法 |
| CN110133770A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-16 | 中国科学院微电子研究所 | 纳米线栅结构、荧光各向异性增强装置及其制备方法 |
| CN110112298A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-09 | 杭州师范大学 | 一种用于钙钛矿光电探测器的光学调制层及其应用 |
| CN110459876A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-15 | 桂林电子科技大学 | 一种基于二维简单超材料结构的超宽带吸波体 |
| CN115004386A (zh) * | 2020-01-14 | 2022-09-02 | 金勋 | 表面等离子体光子学电场增强型光电探测器及图像传感器 |
| CN111477700A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-07-31 | 苏州大学 | 基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法 |
| CN111477700B (zh) * | 2020-04-23 | 2023-10-27 | 苏州大学 | 基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法 |
| CN111552014B (zh) * | 2020-05-17 | 2022-04-29 | 桂林电子科技大学 | 一种横向mim格点阵等离激元吸收器 |
| CN111552014A (zh) * | 2020-05-17 | 2020-08-18 | 桂林电子科技大学 | 一种横向mim格点阵等离激元吸收器 |
| CN111653631A (zh) * | 2020-06-10 | 2020-09-11 | 苏州大学 | 工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器及制造方法 |
| CN111653631B (zh) * | 2020-06-10 | 2023-10-27 | 苏州大学 | 工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器及制造方法 |
| CN112067673A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-11 | 南京大学 | 一种电化学系统及改变等离激元传感器响应模式的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104064620A (zh) | 一种基于mim结构的表面等离激元增强的光电探测器 | |
| CN106409938B (zh) | 一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器及其制备方法 | |
| CN111554757A (zh) | 一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器及制备方法 | |
| US9625627B2 (en) | Incident angle insensitive color filter and its manufacturing method | |
| Xie et al. | Enhanced performance of perovskite/organic-semiconductor hybrid heterojunction photodetectors with the electron trapping effects | |
| CN104851929A (zh) | 基于石墨烯表面等离激元的光电材料可调吸收增强层 | |
| CN104300027B (zh) | 基于石墨烯/二氧化硅/硅的雪崩光电探测器及制备方法 | |
| Suresh et al. | The role of crystallinity of the Nb 2 O 5 blocking layer on the performance of dye-sensitized solar cells | |
| KR101508889B1 (ko) | 광자 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치 | |
| CN108630782B (zh) | 一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器的制备方法 | |
| CN107750403A (zh) | 有机光检测器及其生产方法 | |
| CN102403376B (zh) | 含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池及其制备方法 | |
| CN109888051A (zh) | 一种x射线探测器及其制造方法 | |
| CN103311803A (zh) | 石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔及其制备方法 | |
| CN112038442B (zh) | 一种光电探测器及其制备方法 | |
| Zheng et al. | Photovoltaic enhancement due to surface-plasmon assisted visible-light absorption at the inartificial surface of lead zirconate–titanate film | |
| CN104810426A (zh) | 自驱动光探测器及其制备方法 | |
| CN105304733A (zh) | 太阳能电池微纳尺寸陷光结构、太阳能电池及其制备方法 | |
| CN108878575B (zh) | 一种基于硅/氟化石墨烯的双工作模式宽波段光电探测器及其制备方法 | |
| CN108321242B (zh) | 基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法 | |
| Qi et al. | Enhanced Ultraviolet Detection by Constructing Ga 2 O 3/TiO 2 Heterojunction Photodiode Featuring Weak Light Signal Sensing | |
| CN102881728B (zh) | 基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法 | |
| CN110634966B (zh) | 一种超薄太阳光黑硅吸波器及其制备方法 | |
| KR102221178B1 (ko) | 광대역 포토디텍터 및 그 제조 방법 | |
| CN106653930A (zh) | 基于半导体纳米材料的等离激元增强光电探测器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140924 |