CN106784056B - 一种响应光谱可调节的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种响应光谱可调节的新型光电探测器，其特征在于，器件结构自下而上依次为是绝缘衬底、栅极、第一绝缘隔离层、导电沟道层、金属源漏极、第二绝缘隔离层、等离激元金属纳米结构、电光晶体覆盖层及透明引出电极。器件利用外加电压调控电光晶体覆盖层的折射率，使得覆盖物的折射率随外电压的改变而改变，进而实现调控金属纳米结构的等离激元共振波长和探测器的响应波长。本探测器件结构可以通过电压调节响应光谱，易于小型化和微型化，将在光电子器件和光通讯领域有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种响应光谱可调节的新型光电探测器件，可用于动态调节光电探测器的响应光谱范围。
背景技术
光电探测器作为一种将光信号转换为电信号的器件，已经被应用于诸多领域。传统内光电效应光电探测器件基于半导体能带理论，只要入射光子能量大于半导体材料的禁带宽度，就能够激发价带电子至导带，形成光致载流子，产生光电流，实现光电探测，但是基于此种原理的光电探测绝大多数针对探测的波段就是一个宽光谱波段，机制不能实现光谱的精细分辨，而且一旦半导体材料确定就不能够实现响应光谱的调节。目前实现精细光谱分辨和探测的主要方法是利用光学系统首先实现光谱分离，再结合探测器实现光谱分辨探测，使用的光学系统主要由滤波片、光栅等，此种方法虽然可以实现高光谱或者超光谱探测，但是整个系统复杂，体检大，不便于芯片化和集成化，因此急需设计基于新结构或者新原理的响应波段可调节的光电探测器件。
表面等离激元是指介电常数的实部互相反号的两种材料(如常见的金属，电介质材料)，在电磁波照射下，两种材料界面处的电子集体振荡所形成的表面电磁场。等离激元共振的波长主要由金属纳米结构的尺寸结构材料以及周围介电环境决定。因其独特的局域场增强特性，金属纳米结构的的表面等离激元共振特性被广泛的应用与物理生物和化学领域。作为其中一个典型代表，表面等离激元共振非辐射衰减产生的热电子能够注入到相邻半导体被收集产生光电流，实现一种基于金属纳米结构等离激元热电子效应的新型光电探测。
电光晶体或者导电金属氧化物(如氧化铟锡，掺铝氧化锌等)作为一种特殊材料，可以通过外加电压调控材料的折射率(介电常数)，但是将其与等离激元金属纳米结构结合起来，通过调控电压改变金属纳米结构的折射率环境(即可调控等离激元共振波长和热电子产生的波长)，实现调控光电探测器的光谱响应范围的报道还没有，有鉴于此，将电光晶体的折射率可调控性与金属纳米结构等离激元共振衰减产生的热电子结合起来，开发出响应光谱的动态可调节的光电探测器件十分必要。
发明内容
发明目的：为了克服现有光电探测器件响应光谱固定不可调，而且不能单独实现光谱分辨探测，必须与其他光学元器件或系统相结合的缺点。本发明提出一种新型的响应光谱可动态调控的探测器件，利用外加电压改变电光晶体的折射率来调控金属纳米结构的等离激元共振波长，因此可以最终达到调控器件的响应光谱。此种器件结构，无需其他光学元器件或系统，便于微型化和芯片化。
技术方案：
一种响应光谱可调节的光电探测器，包括自下而上设置的绝缘衬底、金属栅极、第一绝缘隔离层以及半导体层，在所述半导体上两侧分别设有金属源极和金属漏极；在所述半导体层上依次设有第二绝缘隔离层及电光晶体覆盖层；所述第二绝缘隔离层及电光晶体覆盖层隔离设置于所述金属源极和金属漏极之间；在所述第二绝缘隔离层上间隔设置有等离激元金属纳米结构；所述等离激元金属纳米结构上端与所述电光晶体覆盖层接触，下端与所述半导体层相接触；在所述电光晶体覆盖层上方两侧设置有用于外接电路的透明引出电极。
所述半导体层的材料为二氧化钛，氧化锌及硅的半导体或者石墨烯、过渡金属硫化物的二维材料。
所述等离激元金属纳米结构的形状为纳米球，纳米棒，纳米三角板，纳米盘或纳米蝴蝶结阵列。
所述等离激元金属纳米结构所采用的金属材料为金、银、铜、铝的金属或由上述金属组成的合金。
所述电光晶体覆盖层的材料为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂的电光晶体或者为介电常数可调节的透明导电氧化物。
所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层材料为二氧化硅，三氧化二铝，氮化硅或氟化镁。
所述金属源漏极材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
所述金属栅极材料选用金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
有益效果：本发明将电光晶体这一在外电场作用下折射率发生变化的材料用来调控等离激元金属纳米结构所在的介电环境，利用外加电压调控覆盖晶体的折射率，来改变金属纳米结构的等离激元共振波长，从而调控热电子产生的波长，最终达到调控光电探测器件的响应光谱。无需其他光学元器件或系统，即可实现光电响应光谱的动态调节，便于微型化和芯片化。
附图说明
图1为本发明的横截面结构示意图。
图2为图1的三维结构示意图。
图中：1-绝缘衬底、2-金属栅极、3-第一绝缘隔离层、4-半导体层、5-金属源极、6-金属漏极、7-第二绝缘隔离层、8-等离激元金属纳米结构、9-电光晶体覆盖层、10-透明引出电极。
图3为本发明实施例的结构示意图及外加电路示意图。
图中：11-绝缘衬底、21-Au栅极、31-SiO2第一绝缘隔离层、41-ZnO半导体层、51-Au源极、61-Au漏极、71-SiO2第二绝缘隔离层、81-纳米棒等离激元金属纳米结构、91-电光晶体覆盖层、101-ITO电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1为本发明的横截面结构示意图。如图1所示，本发明的响应光谱可调节的新型光电探测器结构自下而上依次为绝缘衬底1、金属栅极2、第一绝缘隔离层3及半导体层4。在半导体层4上设有第二绝缘隔离层7、等离激元金属纳米结构8以及金属源极5和金属漏极6；在第二绝缘隔离层7上设有电光晶体覆盖层9，在电光晶体覆盖层上方两侧设置有两透明引出电极作为外接电路的电极，与外部电路相连。半导体层4与电光晶体覆盖层9之间设置第二绝缘隔离层7，使半导体层4与电光晶体覆盖层9分离，减少外加电压使电光晶体对半导体层4的影响。
等离激元金属纳米结构8间隔设置在第二绝缘隔离层7上，其上端与电光晶体覆盖层9接触，其下端与半导体层4相接触。在半导体层4上方两侧分别设有金属源极5和金属漏极6。第二绝缘隔离层7、等离激元金属纳米结构8和电光晶体覆盖层9在金属源漏极之间，隔离于金属源漏极，与金属源漏极不相接触。
在本发明中，半导体层的材料为二氧化钛，氧化锌，硅等半导体，同时半导体亦可换成二维材料，如石墨烯，过渡金属硫化物等。
在本发明中，表面等离激元结构的形状为纳米球，纳米棒，纳米三角板，纳米盘，纳米蝴蝶结等阵列，且所采用的金属材料多样，适合于金、银、铜、铝等金属或由上述金属组成的合金。
在本发明中，电光晶体覆盖层的材料多种，主要为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等电光晶体或者为介电常数可调节的透明导电氧化物。
在本发明中，第一绝缘隔离层或第二绝缘隔离层材料为二氧化硅，三氧化二铝，氮化硅，氟化镁等。
在本发明中，金属源漏极材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
在本发明中，金属栅极材料选用如金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
电光晶体覆盖层是覆盖在等离激元结构之上，利用外加电压的作用来调控电光晶体覆盖层的折射率，从而等离激元结构的介电环境发生改变，这样就可调控等离激元共振波长和热电子产生的波长，实现响应光谱的调控。
本发明的光电探测器利用外加电压的作用来调控电光晶体覆盖层的折射率，使得覆盖层的折射率随外电压的改变而改变，进而实现调控金属纳米结构的等离激元共振波长和探测器的光谱响应波段。
入射光照射到器件表面时，激发了等离激元结构的共振并非辐射衰减产生热电子，注入到沟道层中被源漏电极收集产生光电流；当在透明电极表面施加电压时改变电光晶体覆盖物的折射率，将会改变金属纳米结构的等离激元的共振峰，进而改变热电子产生的波长，器件的响应光谱发射变化。所加电压越大，电光晶体的折射率改变越大，响应光谱的调节范围越大。
如图3所示，是本发明所提出的一种响应光谱可调节的新型光电探测器的一个实施例，其结构自下而上依次设置为绝缘衬底11、Au栅极21、SiO2第一绝缘隔离层31、ZnO半导体层41、Au源极51、Au漏极61、SiO2第二绝缘隔离层71、纳米棒等离激元金属纳米结构81、电光晶体覆盖层91及ITO电极101。
所述电光晶体覆盖层91的折射率会随外电压的改变而改变，从而改变等离激元金属纳米结构周围的介电环境，这样就可调控等离激元共振波长和热电子产生的波长，实现调控器件的响应光谱。所述ZnO半导体层41与电光晶体覆盖层91之间增加SiO 2第二绝缘隔离层71，使ZnO半导体层41与电光晶体覆盖层91分离，减少外加电压使电光晶体对半导体层的影响。所述在电光晶体覆盖层91上设置ITO电极101，ITO电极101作为外接电路的电极，与外部电路相连。
所述纳米棒等离激元金属纳米结构81在入射光照射下激发等离激元共振。所述SiO2第二绝缘隔离层71、金属等离激元结构和电光晶体覆盖层91的两端设置金属电极，并与电光晶体覆盖层91隔离，作为探测器的源漏电极。所述绝缘衬底、Au栅极、SiO2第一绝缘隔离层、ZnO半导体层、Au源极和漏极组成传统的薄膜晶体管结构。
当可见光入射到纳米棒等离激元金属纳米结构81中激发等离激元共振并以非辐射衰减的方式产生热电子，越过金属纳米结构和半导体之间的肖特基势垒，注入到半导体层中被源漏电极收集产生光电流。通过外加电压调控电光晶体的折射率，而等离激元共振波长随着电光晶体折射率的改变而改变，从而调控热电子产生的波长，最终达到调控光电探测器件的响应光谱，实现了一种响应光谱动态可调节的光电探测器件。
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来说，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 (8)
1.一种响应光谱可调节的光电探测器，包括自下而上设置的绝缘衬底(1)、金属栅极(2)、第一绝缘隔离层(3)以及半导体层(4)，在所述半导体层(4)上两侧分别设有金属源极(5)和金属漏极(6)；其特征在于：在所述半导体层(4)上依次设有第二绝缘隔离层(7)及电光晶体覆盖层(9)；所述第二绝缘隔离层(7)及电光晶体覆盖层(9)隔离设置于所述金属源极(5)和金属漏极(6)之间；在所述第二绝缘隔离层(7)上间隔设置有等离激元金属纳米结构(8)；所述等离激元金属纳米结构(8)上端与所述电光晶体覆盖层(9)接触，下端与所述半导体层(4)相接触；在所述电光晶体覆盖层(9)上方两侧设置有用于外接电路的透明引出电极。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述半导体层(4)的材料为二氧化钛、氧化锌或硅的半导体，或者为石墨烯、过渡金属硫化物的二维材料。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述等离激元金属纳米结构(8)的形状为纳米球、纳米棒、纳米三角板、纳米盘或纳米蝴蝶结阵列。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述等离激元金属纳米结构(8)所采用的金属材料为金、银、铜、铝中的一种或由上述金属组成的合金。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述电光晶体覆盖层(9)的材料为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂中的一种或者为介电常数可调节的透明导电氧化物。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述第一绝缘隔离层(3)和第二绝缘隔离层(7)材料为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅或氟化镁。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述金属源漏极材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述金属栅极(2)材料选用金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。
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