CN109755331B - 一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种基于等离激元‑光子模式耦合的窄带光电探测器，该探测器的结构自下而上依次为是底部电极1、半导体层2和绝缘介质层3，在绝缘介质层3的上表面修饰有等离激元金属纳米结构4，在绝缘介质层3的外围设置有顶部电极5，且顶部电极5与半导体层2直接接触。其中等离激元金属纳米结构4支持的等离激元共振模式与绝缘介质层3‑半导体层2支持的光学波导模式之间发生耦合共振，并形成窄带完美超吸收，实现窄带光电探测。该光电探测器可以调控窄带响应波段，将不同工作波段的探测器单元集成，构成宽波段工作的超光谱成像仪或者图像传感器；该光电探测器具有微型化和集成化的特性，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
本发明涉及一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，属于光电探测器领域。
技术背景
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器绝大多数都是宽波段响应，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光栅等滤波结构组成，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，体积大，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可以实现光谱分辨功能的新型窄带光电探测器件。
本发明主要将由金属纳米结构阵列组成的超表面直接集成到半导体探测器表面，利用金属纳米结构支持的等离激元模式与探测器表面介质钝化层支持的光学波导模式之间的耦合共振作用实现窄带光吸收，达到分光探测功能。该窄带光谱分辨探测器具有探测效率高、光谱分辨率高、集成化等优点，可广泛应用于军事侦察、目标/背景探测、地雷探测等领域。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，该探测器利用金属纳米结构支持的等离激元模式与绝缘介质层-半导体层支持的光学模式之间的耦合作用，实现窄带光吸收和光探测，同时可以通过改变金属纳米结构和半导体层的结构参数调控响应波长；此种结构无需其他光学元器件或系统，即可实现波长分辨探测，便于实现光谱分辨探测器的微型化和芯片化。
技术方案：本发明提供了一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，该探测器的结构自下而上依次为是底部电极、半导体层和绝缘介质层，在绝缘介质层的上表面修饰有等离激元金属纳米结构，在绝缘介质层的外围设置有顶部电极，且顶部电极与半导体层直接接触。
其中：
所述的等离激元金属纳米结构支持的等离激元模式与绝缘介质层-半导体材料层支持的光学波导模式之间耦合共振，形成极窄的窄带完美吸收和光谱分辨的窄带光电探测。
所述的半导体层的厚度为100nm～1000nm，其材料为氧化锌、氧化钛、硅、锗、砷化镓、磷化铟或铟镓砷，其结构为任意一种上述材料的层状结构或者多种上述材料叠加组成PN结型或者PIN结型结构。
所述的绝缘介质层的厚度为100nm～500nm，其材料为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化铪或者氟化镁中的一种或者多种。
所述的底部电极的厚度在100nm以上，底部电极和顶部电极的材料为金、银、铜或者铝中的一种或者多种上述金属组成的合金。
所述的等离激元金属纳米结构为周期性金属纳米结构阵列，包括周期性光栅阵列、周期性纳米三角板阵列、周期性纳米圆盘阵列、周期性纳米蝴蝶结阵列或者周期性纳米方块阵列。
所述的等离激元金属纳米结构中金属材料为金、银、铜或者铝中的一种或者多种上述金属组成的合金。
入射光照射到光电探测器表面时，将会同时激发周期性金属纳米结构的等离激元模式与绝缘介质层-半导体层中的光学波导模式，二者之间形成耦合共振，形成极窄的光透射并被半导体层吸收，产生光生电子空穴为顶部电极和底部电极收集，产生电流或者电压信号，最终实现极窄光谱分辨探测。此外，可以通过改变等离激元金属纳米结构的尺寸分布、绝缘介质层的材料结构参数分布以及半导体层材料调控整体探测器的响应波段。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提供的光电探测器通过将周期性金属纳米结构与绝缘介质层-半导体层结合起来，实现高光谱分辨率的集成化窄带光电探测；
2、本发明提供的光电探测器由于等离激元金属纳米结构/绝缘介质层/半导体层/底部电极组成完美吸收结构，提高了半导体层对光的吸收，即提高了探测器的灵敏度；
3、本发明提供的光电探测器可以通过改变等离激元金属纳米结构的尺寸分布情况改变探测器件的响应波段，将不同波段的窄带探测器集成起来，构成宽波段工作的多光谱或者高光谱成像仪或者图像传感器；
4、本发明提供的光电探测器无需其他光学元器件或系统，即可实现波长分辨探测，便于实现光谱分辨探测器的微型化和芯片化。
附图说明
图1为本发明提供的基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器的三维结构示意图；
图2为发明提供的基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器的横截面示意图；
图3为本发明提供的基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器的窄带光吸收工作原理示意图；
图中有：底部电极1、半导体层2、绝缘介质层3、等离激元金属纳米结构4和顶部电极5。
具体实施方式
本发明提供了一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，该探测器利用金属纳米结构支持的等离激元模式与绝缘介质层-半导体层支持的光学模式之间的耦合作用，实现窄带光吸收和光探测，同时可以通过改变金属纳米结构和半导体层的结构参数调控响应波长。此种结构无需其他光学元器件或系统，即可实现波长分辨探测，便于实现光谱分辨探测器的微型化和芯片化。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，如图1所示，该探测器的结构自下而上依次为是底部电极1即底部铝电极、半导体层2即硅基PIN结构半导体层和绝缘介质层3即二氧化硅绝缘钝化层，在绝缘介质层3上表面修饰有等离激元金属纳米结构4即周期性金纳米方块阵列，在绝缘介质层3的外围设置有顶部电极5即顶部铝电极，顶部电极5与半导体层2直接接触。
其中底部电极1的厚度为100nm，半导体层2的厚度为100nm，绝缘介质层3的厚度为100nm。
当可见光入射光照射到器件表面时，将会同时激发周期性金方块阵列的等离激元模式与二氧化硅绝缘钝化层/硅基PIN结构半导体层中的光学波导模式，二者之间形成耦合共振，形成极窄的光透射并被硅基PIN半导体层完全吸收，产生光生电子空穴为顶部铝电极和底部铝电极收集，产生电流或者电压信号，最终实现极窄光谱分辨探测；将上表面分布不同结构阵列的金方块纳米结构阵列级联起来，即可实现超光谱的探测芯片。
实施例2：
一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，如图1所示，该探测器的结构自下而上依次为是底部电极1即底部铝电极、半导体层2即铟镓砷半导体层和绝缘介质层3即三氧化二铝绝缘钝化层，在绝缘介质层3上表面修饰有等离激元金属纳米结构4即周期性银圆盘阵列，在绝缘介质层3的外围设置有顶部电极5即顶部铜电极，顶部电极5与半导体层2直接接触。
其中底部电极1的厚度为200nm，半导体层2的厚度为1000nm，绝缘介质层3的厚度为500nm。
当宽波段近红外光入射光照射到器件表面时，将会同时激发周期性银圆盘阵列的等离激元模式与三氧化二铝钝化层/铟镓砷半导体层中的光学波导模式，二者之间形成耦合共振，形成某一极窄带宽的光透射并被铟镓砷半导体层完全吸收，产生光生电子空穴为顶部铜电极和底部铝电极收集，产生电流或者电压信号，最终实现近红外波段的极窄光谱分辨探测；将上表面分布不同结构阵列的周期性银圆盘阵列级联起来，即可实现超光谱的探测芯片。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明的限制。在本发明的精神和权利要求的保护内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，其特征在于：该探测器的结构自下而上依次为是底部电极(1)、半导体层(2)和绝缘介质层(3)，在绝缘介质层(3)的上表面修饰有等离激元金属纳米结构(4)，在绝缘介质层(3)的外围设置有顶部电极(5)，且顶部电极(5)与半导体层(2)直接接触；
其中所述的等离激元金属纳米结构(4)支持的等离激元模式与绝缘介质层(3)-半导体材料层(2)支持的光学波导模式之间耦合共振；
所述的等离激元金属纳米结构(4)为周期性金属纳米结构阵列，包括周期性光栅阵列、周期性纳米三角板阵列、周期性纳米圆盘阵列、周期性纳米蝴蝶结阵列或者周期性纳米方块阵列；
所述的等离激元金属纳米结构(4)中金属材料为金、银、铜或者铝中的一种或者多种上述金属组成的合金；
所述的半导体层(2)的厚度为100nm～1000nm，其材料为氧化锌、氧化钛、硅、锗、砷化镓、磷化铟或铟镓砷，其结构为任意一种上述材料的层状结构或者多种上述材料叠加组成PN结型或者PIN结型结构；
所述的绝缘介质层(3)的厚度为100nm～500nm，其材料为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化铪或者氟化镁中的一种或者多种。
2.如权利要求1所述的一种基于等离激元-光子模式耦合的窄带光电探测器，其特征在于：所述的底部电极(1)的厚度在100nm以上，底部电极(1)和顶部电极(5)的材料为金、银、铜或者铝中的一种或者多种上述金属组成的合金。
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