CN109524486A - 一种电读出光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种电读出光学传感器，包括背金属电极层、半导体层、金属或类金属层；所述半导体层为主体部分，分为第一表面和第二表面；所述第一表面设置有凹槽结构，形成光栅；所述背金属电极层覆盖于半导体层第二表面；所述金属或类金属层覆盖于半导体层第一表面，组成光电管，用于宽波长范围高线性度光电流信号的产生；本发明构建窄带光吸收的光学传感结构与宽波长范围光电转换结构的直接集成，通过光电流的输出方式来实现便携式高精度的光学传感能力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术的研究领域，特别涉及一种电读出光学传感器。
背景技术
目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。光学传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、非标记等特点，因而得到广泛关注和大力发展。通常光学传感器都利用光学共振结构来增强折射率传感性能，通过测试共振峰的波长移动来感知被测物的变化。其中传感灵敏度定义为被测物单位折射率变化条件下共振峰的波长移动。传感灵敏度越大、共振峰线宽越小，有利于实现更低的检测限，即传感器的性能越好。然而为了获取这些光学信号，一般都需要庞大和昂贵的光谱分析系统，不利于便携式的即时检测需求。为此，电读出的光学传感器受到广泛关注。
2014年Applied Optics期刊第53卷第5969页报道了一种将玻璃衬底的金属光栅滤波器贴在硅探测器表面的集成型光学传感器，金属光栅表面的被测物影响滤波器的光透过特性，从而改变下面硅探测器的入射光信号，进而影响探测器输出光电流，实现集成式的传感。然而其滤波器无法兼顾共振峰的窄线宽和高透过率，严重限制了器件光电流输出和检测限，而且其工作波长范围受限于硅探测器的光电响应波段，限制了器件适用范围。
2014年Light：Science&Applications期刊第3卷第e122编号的论文报道了一种将金属纳米孔滤波器放置于CMOS图像传感器上的集成型光学传感器，但同样受限于上述低透过率、低光电响应率、宽共振线宽和窄工作波长范围等缺点。
2017年Sensors and Actuators B期刊第239卷第571页报道了一种集成在智能手机上的光学传感器，利用金属光栅将特定波长的光反射到手机的相机上，光栅上的被测物影响反射光的共振波长，从而实现光信号的获取，然而共振反射的线宽很宽，大大降低了光电信号的对比度，限制了器件的检测限，而且同样只具备窄带的工作波长范围。
这些工作虽然一定程度实现了光传感和光探测的功能集成，但采用的都是宏观的将光传感部件(如滤波器)贴附或装配在光探测器表面，限制了器件体积的进一步小型化，而且这种集成方法由于传感单元和探测单元间距太大，在传感成像应用中会由于相邻像素间的串扰无法工作。
2011年Optics Express期刊在第19卷第9962页报道了一种将金属纳米孔结构制备在覆盖氧化硅层的硅材料表面的集成型光学传感器，纳米孔表面的被测物会改变透射光的特性，从而影响硅材料的光吸收和光电压信号输出。这种直接集成提高了器件集成度和稳定性，降低了系统噪声，然而其工作波长依然受限于半导体带间跃迁机制的限制，而且纳米孔透过率不足10％，共振峰线宽超过50nm，限制了器件性能，而且电压型器件的光功率与光电流的线性度较差，不利于传感应用。
2015年SPIE杂志在第9724卷编号为97240M的论文里报道了一种将金属纳米孔滤波器直接做到pin型GeSi探测器的表面的集成型光学传感器，然而其工作波长依然受限于半导体带间跃迁机制的限制，而且纳米孔的滤波性能受大折射率衬底的严重干扰，造成共振峰不明显、共振峰线宽超过100nm，探测器光吸收率不足50％，限制了器件性能。
可以看到，以上述例子为代表的现有技术虽然都获得了电信号输出的光学传感，但难以实现高传感灵敏度、窄共振峰线宽和大工作波长范围的共存。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电读出光学传感器，实现同时具有高传感灵敏度、窄共振峰线宽和大工作波长范围的电信号输出的集成型光学折射率传感器。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种电读出光学传感器，其特征在于，包括背金属电极层、半导体层、金属或类金属层；
所述半导体层为主体部分，分为第一表面和第二表面；所述第一表面设置有凹槽结构，形成光栅；
所述背金属电极层覆盖于半导体第二表面；
所述金属或类金属层覆盖于半导体第一表面，组成光电管。
进一步地，所述背金属电极层与半导体层第二表面形成欧姆接触；
进一步地，所述金属或类金属层与半导体层第一表面形成肖特基接触；
进一步地，所述半导体层第一表面设置有一个以上凹槽；
进一步地，所述凹槽为等间距设置；
进一步地，所述半导体层，材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、磷化铟、二维原子晶体材料中至少一种，或组合物；
进一步地，所述金属或类金属层，材料为金属材料、类金属的二维原子晶体材料中至少一种，或组合物；所述金属或类金属层厚度小于60nm；
进一步地，所述金属材料包含金、银、铜、铝、钛、镍、铬、氮化钛、氮化锆；所述类金属的二维原子晶体材料包含石墨烯；
进一步地，所述光栅为一维周期结构和二维周期结构的其中一种；
进一步地，所述光栅的光栅周期为工作波长的0.2～2倍；所述光栅的厚度为工作波长的0.02～0.2倍。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过在半导体层上形成光栅结构，并覆盖金属或类金属层，获得光学传感结构与光电转换结构的集成，提高器件集成度和稳定性，降低了噪声。
2、本发明通过金属或类金属层覆盖的光栅结构，获得窄带全吸收的光学特性，提高了光电管的光电流输出，保证传感测试精度。
3、本发明通过半导体层与金属或类金属层的直接接触，分别基于带间跃迁和光子内发射机制获得同时探测光子能力大于半导体禁带宽度和小于半导体禁带宽度的入射光能力，扩大了传感器的工作波长范围。
附图说明
图1为本发明所述一种电读出光学传感器的剖视结构示意图；
图2为本发明所述一种电读出光学传感器对应不同光栅厚度的计算吸收光谱示意图；
图3为本发明所述一种电读出光学传感器对应光栅厚度为30nm时表面共振模式的计算电磁场分布示意图；
图4为本发明所述一种电读出光学传感器的电流密度-电压测试结果示意图；
图5为本发明所述一种电读出光学传感器在700nm-1100nm工作波段不同入射光角度对应的光电响应率的测试结果示意图；
图6为本发明实施例中电读出光学传感器在1200nm-1550nm工作波段不同入射光角度对应的光电响应率的测试结果示意图；
图7为本发明实施例中电读出光学传感器在入射光由20度入射角方向分别照射到水和酒精两种被测物产生的光电响应率谱的测试结果示意图；
图8为本发明实施例中电读出光学传感器在入射光由0度入社方向分别照射到水和酒精两种被测物产生的光电响应率谱的测试结果示意图；
图9为本发明实施例中电读出光学传感器在1064nm光由19度入射方向照射到酒精被测物产生的光电流随入射光功率的变化关系示意图；
图10为本发明实施例中电读出光学传感器在1020nm光由20度入射方向照射到不同体积配比的酒精和水混合溶液产生的光电流示意图；
图11为本发明实施例中电读出光学传感器在1384nm光由0度入射方向照射到不同体积配比的酒精和水混合溶液产生的光电流示意图。
图中，1-半导体层，2-金属或类金属层，3-光栅，4-背金属电极层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种电读出光学传感器，如图1所示，包括背金属电极层4、半导体层1、金属或类金属层2；
所述半导体层为主体部分，采用材料为硅，分为第一表面和第二表面；所述第一表面设置有凹槽结构，形成光栅3；
所述凹槽为等间距设置，设置一个以上凹槽，从而形成光栅3；光栅3采用一维周期结构，周期为1μm，其中两相邻凹槽自己的凸起部宽度为0.5μm，即光栅宽度为0.5μm；必然的，每相邻的两个凹槽之间形成一个凸起，则多个凹槽之间形成多个等间距的多个凸起；最后分别在金属或类金属层2和背金属电极层4上引线，完成整个传感器的制备。
所述背金属电极层4覆盖于半导体层第二表面，与半导体层第二表面形成欧姆接触；背金属电极层4一般为金、铂、铝、银、铜或这些金属的合金；
所述金属或类金属层覆盖于半导体层第一表面，与半导体层第一表面形成肖特基接触，组成肖特基光电管；
分别在金属或类金属层2和背金属电极4上引线，构成电读出光学传感器。
光栅用于使入射光与金属或类金属层结构的表面共振模式实现波矢匹配，并获得近完全的窄带光吸收；半导体层第一表面和金属或类金属层形成肖特基接触，第二表面和背金属电极形成欧姆接触，整体构成肖特基光电管，用于宽波长范围高线性度光电流信号的产生。
所述金属或类金属层材料为金属材料、类金属的二维原子晶体材料中至少一种；所述金属或类金属层厚度小于60nm；所述金属材料包含金、银、铜、铝、钛、镍、铬；所述类金属的二维原子晶体材料包含石墨烯；这里选择材料为金，厚度为50nm；这样设置，部分入射光被金属或类金属层吸收，形成光子内发射的光电转换；部分透射光被半导体层吸收，形成带间跃迁的光电转换。
本发明所述的一种电读出光学传感器对应不同光栅厚度的计算吸收光谱示意图，如图2所示，吸收谱中都有很窄的共振峰，例如，以光栅高度30nm为例，共振峰中心波长为1010nm，共振峰的半高宽FWHM为8nm，其远小于现有电读出光学传感器，并且峰值吸收率达到99％，远超过现有电读出光学传感器，这些都有利于提高光电传感灵敏度。这些共振峰是表面共振模式，其发生在入射光波矢与表面共振模式的波矢匹配的情况下，其波长和角度由下式决定：
k sinθ+mG＝±ksp，
其中，k为入射光介质环境中的波矢，θ为入射角，G为光栅格矢，m为衍射阶数，ksp为表面共振模式的波矢。由此式可以看到，在不同角度入射时，不同阶表面共振模式发生在不同波长。
图3为本发明所述一种电读出光学传感器对应光栅厚度为30nm时表面共振模式的计算电磁场分布示意图，即共振峰处对应的电场和磁场在传感器剖面内的空间分布，可以看到表面共振模式的电磁场均局域在光栅表面，并向外有限扩展，有利于与被测物相互作用，实现高灵敏传感。
图4为本发明所述一种电读出光学传感器的TV测试结果示意图；可以看到明显的整流特性，测试结果与理论仿真结果吻合的非常好，说明了器件良好的金属半导体肖特基接触。
图5为本发明所述一种电读出光学传感器在700nm-1100nm工作波段不同入射光角度对应的光电响应率的测试结果示意图；具体为，分别在0度和12度入射光照射下光电探测灵敏度在700nm-1100nm工作波段的测试结果，这个波段的光子能量大于硅材料的禁带宽度，因此是带间跃迁主导的光电探测机制。可以看到0度时在1050nm形成一个探测响应率峰值，这是因为表面共振模式在0度入射时发生在1050nm，引起了高效的光吸收；12度时在820nm形成一个探测响应率峰值，这也与表面共振模式的波长吻合。可以看到，在820nm处的探测响应率接近140mA/W，在1050nm处超过60mA/W，体现了良好的光电探测性能。
图6为本发明实施例中电读出光学传感器在1200nm-1550nm工作波段不同入射光角度对应的光电响应率的测试结果示意图；具体为在12度至30度入射光照射下光电探测灵敏度在1200nm-1550nm工作波段的测试结果，这个波段的光子能量小于硅材料的禁带宽度，因此是光子内发射主导的光电探测机制。可以看到不同角度下探测响应率谱在不同波长出现峰值，这同样是由表面共振模式决定的。这种低于半导体层禁带宽度的探测工作波长范围是以往电读出光学探测器所没有展示的结果。
图7为本发明实施例中电读出光学传感器在入射光由20度入射角方向分别照射到水和酒精两种被测物产生的光电响应率谱的测试结果示意图；可以看到传感器对于每个被测物都展现了两个峰值响应，分别在870nm和1030nm附近，这分别对应于二阶和一阶的表面共振模式。电读出光学传感器的传感灵敏度SER定义为：
SER＝Rph/Δn，
其中，Rph为探测响应率变化，Δn为被测物折射率变化；
当被测物由水变为酒精后，两个峰值响应分别发生了17nm和32nm的峰位红移，进而产生探测响应率的变化，其对应的电读出的传感灵敏度分别为1326mA/(W·RIU)和3017mA/(W·RIU)。
图8为本发明实施例中电读出光学传感器在入射光由0度入社方向分别照射到水和酒精两种被测物产生的光电响应率谱的测试结果示意图；可以看到传感器对于每个被测物在1400nm附近产生了峰值响应。当被测物由水变为酒精后，峰位发生了35nm的红移，其对应的电读出的传感灵敏度分别为38mA/(W·RIU)，实现了在半导体材料亚带隙波长范围的传感。
图9为本发明实施例中电读出光学传感器在1064nm光由19度入射方向照射到酒精被测物产生的光电流随入射光功率的变化关系示意图；可以看到了非常好的线性关系，这对于传感研究非常重要，这也是本发明电流型器件相对于电压型器件的优势。
图10为本发明实施例中电读出光学传感器在1020nm光由20度入射方向照射到不同体积配比的酒精和水混合溶液产生的光电流示意图；其中，入射光的光子能量hv大于硅的禁带宽度ESi1.1eV，入射角度为20°；测试过程中每隔十分钟增加2％的酒精体积比浓度，可以看到2％的浓度差异可以很清楚的在输出电流中体现出来，实现电读出方式对酒精浓度的光学传感检测。
图11为本发明实施例中电读出光学传感器在1384nm光由0度入射方向照射到不同体积配比的酒精和水混合溶液产生的光电流示意图；其中，入射光的光子能量hv小于硅的禁带宽度ESi 1.1eV，入射角度为0°；实现了在硅材料亚带隙波长范围的电读出方式对酒精浓度的光学传感检测。
考虑测试光电流用的源表的噪声在60pA，考虑信噪比超过3就可以检测到，那么所制备传感器的折射率变化探测下限为4.7×10-7RIU，远高于已有电读出光学传感器。这些都体现了本发明具有高灵敏度、宽工作波长范围和高集成的优势。
本发明的电读出光学传感器，通过将半导体和金属或类金属层组成光电管，并与光栅结构直接集成，获得了光场局域在器件表面的窄线宽和高吸收的表面共振模式，提高对器件表面折射率环境的敏感度，而且增强光电管的探测响应度，半导体与薄金属或类金属层构建的肖特基光电管能够同时实现光子能量大于和小于半导体禁带宽度的光电探测，增大了器件工作波长范围。最终，在同一个传感器结构中同时获得了高灵敏度、宽工作波长范围和高集成电读出的优势。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电读出光学传感器，其特征在于，包括背金属电极层、半导体层、金属或类金属层；
所述半导体层为主体部分，分为第一表面和第二表面；所述第一表面设置有凹槽结构，形成光栅；
所述背金属电极层覆盖于半导体层第二表面；
所述金属或类金属层覆盖于半导体层第一表面，组成光电管，用于宽波长范围高线性度光电流信号的产生。
2.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述背金属电极层与半导体层第二表面形成欧姆接触。
3.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述金属或类金属层与半导体层第一表面形成肖特基接触。
4.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述半导体层第一表面设置有一个以上凹槽。
5.根据权利要求4所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述凹槽为等间距设置。
6.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述半导体层，材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、磷化铟、二维原子晶体材料中至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述金属或类金属层，材料为金属材料、类金属的二维原子晶体材料中至少一种；所述金属或类金属层厚度小于60nm。
8.根据权利要求7所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述金属材料包含金、银、铜、铝、钛、镍、铬、氮化钛、氮化锆；所述类金属的二维原子晶体材料包含石墨烯。
9.根据权利要求1所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述光栅为一维周期结构和二维周期结构的其中一种。
10.根据权利要求9所述的一种电读出光学传感器，其特征在于，所述光栅的光栅周期为工作波长的0.2～2倍；所述光栅的厚度为工作波长的0.02～0.2倍。
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