CN110400862B - 一种红外热辐射光源及红外传感器 - Google Patents

一种红外热辐射光源及红外传感器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种红外热辐射光源，从下至上依次包括衬底及半导体纳米线；所述半导体纳米线设置在所述衬底表面；周期性排列的所述半导体纳米线与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。本申请提供的技术方案中，由于所述半导体纳米线可直接从所述衬底表面的预定位置开始生长，相比于现有技术，不需要先整层生长再刻蚀出柱状结构，简化了工艺，节约了原料，降低了生产成本；纳米线生长技术不需要考虑所述半导体纳米线与所述衬底的晶格适配问题，扩大了材料的选择范围；所述半导体纳米线的侧壁光滑，具有较高的Q因子，可进一步缩窄发射光谱。本申请同时还提供了一种具有上述有益效果的红外传感器。

Description

一种红外热辐射光源及红外传感器
技术领域
本申请涉及红外探测领域，特别是涉及一种红外热辐射光源及红外传感器。
背景技术
随着经济社会的发展，大量产生的易燃易爆、有毒有害等污染物对人们的健康也带来很大的威胁，需要快速、精确的进行监测。中红外光谱区间包含很多常见液体和气体分子的特征谱线，因此利用气体分子的红外光谱选择吸收特性可实现对污染物的定性和定量分析，具有非常高的选择性、灵敏度和稳定性。中红外光源是决定红外传感器性能的主要因素，虽然目前已开发出性能较好的中红外量子级联激光器及间带级联激光器等，但其价格昂贵而难以广泛推广，目前仍多采用成本低廉的微机电(MEMS)热辐射红外光源。热辐射光源通过对物体加热来产生一定的热辐射，但其发射的光谱非常宽，而在实际测量中仅使用气体特征光谱波长的那部分极窄的辐射光，需采用窄带滤波器滤除其它波段的光辐射，导致整个系统复杂性增加及功率效率下降。
根据基尔霍夫定律，改变物体的吸收率可以改变其发射率。因此人们采用光学谐振腔、光子晶体、超材料等微纳结构来调控红外热辐射，获得了较窄的热辐射光谱，但其具有宽的背景发射，而且这种仅修正光子状态的方法难以实现很高的Q因子(衡量光谱峰值与宽度的比值，Q因子越高表明光谱越窄)，仍无法满足很多红外传感系统对光源的要求。近些年日本京都大学Noda研究组提出了一种方案，即同时利用半导体量子阱导带的子带间跃迁及二维光子晶体同时调控热辐射器的电子状态和光子状态，但这种器件的制备工艺需要先整层制备材料，再对其进行刻蚀得到柱状结构，成本较高；刻蚀的柱状结构侧表面平滑度差，限制Q因子的提高。
申请内容
本申请的目的是提供一种红外热辐射光源及红外传感器，以解决现有技术中超窄热辐射光谱的红外光源器件制备工艺复杂、成本高、光子晶体侧表面平滑度差，Q因子难以进一步提高的问题。
为解决上述技术问题，本申请提供一种红外热辐射光源，从下至上依次包括衬底及半导体纳米线；
所述半导体纳米线设置在所述衬底表面；
周期性排列的所述半导体纳米线与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述半导体纳米线为多量子点层组成的半导体纳米线。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述衬底下方接触设置有背面电极，所述半导体纳米线上方接触设置有正面透明电极，所述半导体纳米线从下至上依次包括第一掺杂层、多量子点层及第二掺杂层；
其中，所述第一掺杂层与所述第二掺杂层的掺杂类型不同。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述第一掺杂层的基底材料与所述第二掺杂层的基底材料相同。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述多量子点层的基底材料、所述第一掺杂层的基底材料及所述第二掺杂层的基底材料相同。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述多量子点层为n型掺杂的多量子点层。
可选地，在所述红外热辐射光源中，所述半导体纳米线的直径的范围为10纳米至1000纳米，包括端点值。
可选地，在所述红外光源中，所述多量子点层的量子点导带子带间的跃迁波长的范围为2微米至15微米，包括端点值。
可选地，在所述红外光源中，所述正面透明电极为石墨烯电极或二硫化钼电极。
本申请还提供了一种红外传感器，所述红外传感器包括上述任一种所述的红外热辐射光源。
本申请所提供的红外热辐射光源，从下至上依次包括衬底及半导体纳米线；所述半导体纳米线设置在所述衬底表面；周期性排列的所述半导体纳米线与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。本申请提供的技术方案中，由于所述半导体纳米线可直接从所述衬底表面的预定位置开始生长，相比于现有技术，不需要先整层生长再刻蚀出柱状结构，简化了工艺，节约了原料，同时所述半导体纳米线的生长速度远快于整层生长再刻蚀，因此降低了所述红外光源的生产成本；此外，使用纳米线生长技术不需要考虑所述半导体纳米线与所述衬底的晶格适配问题，扩大了材料的选择范围；还有，所述半导体纳米线的侧壁光滑，具有较高的Q因子，可进一步缩窄发射光谱。本申请同时还提供了一种具有上述有益效果的红外传感器。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的红外热辐射光源的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本申请提供的红外热辐射光源的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本申请提供的红外热辐射光源的又一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的核心是提供一种红外热辐射光源，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，从下至上依次包括衬底200及半导体纳米线300；
所述半导体纳米线300设置在所述衬底200表面；
周期性排列的所述半导体纳米线300与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。
特别的，所述半导体纳米线300的直径的范围为10纳米至1000纳米，包括端点值，如10.0纳米、200.0纳米或1000.0纳米中任一个。上述数据范围为经过理论计算与实际检验后得到的最佳范围，当然，可以根据实际情况做适当调整。
本申请所提供的红外光源，从下至上依次包括衬底200及半导体纳米线300；所述半导体纳米线300设置在所述衬底200表面；周期性排列的所述半导体纳米线300与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。本申请提供的技术方案中，由于所述半导体纳米线300可直接从所述衬底200表面的预定位置开始生长，相比于现有技术，不需要先整层生长再刻蚀出柱状结构，简化了工艺，节约了原料，同时所述半导体纳米线300的生长速度远快于整层生长再刻蚀，因此降低了所述红外光源的生产成本；此外，使用纳米线生长技术不需要考虑所述半导体纳米线300与所述衬底200的晶格适配问题，因此可在廉价的Si衬底200上生长GaAs、InP、GaN、GaSb基Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料，降低成本，并且与标准的Si晶圆工艺兼容，扩大了材料的选择范围；还有，所述半导体纳米线300的侧壁光滑，具有较高的Q因子，可进一步缩窄发射光谱。
在具体实施方式一的基础上，进一步限定所述半导体纳米线300的材料，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，从下至上依次包括衬底200及半导体纳米线300；
所述半导体纳米线300设置在所述衬底200表面；
周期性排列的所述半导体纳米线300与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度；
所述半导体纳米线300为多量子点层302组成的半导体纳米线300。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中将所述半导体纳米线300的材料进行了限定，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
本具体实施方式中，将所述半导体纳米线300限定为了所述多量子点层302组成的半导体纳米线300，采用所述多量子点层302，可打破跃迁选择定则限制，可直接吸收和辐射垂直表面的红外光，可避免采用现有技术中的工作于带边模式的二维光子晶体将TM偏振的光垂直耦合输出，缩小了器件体积，进一步提升了Q因子，增加了珀赛尔效应，进而进一步缩窄了输出光谱。
在具体实施方式二的基础上，进一步对所述半导体纳米线300的结构做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图3所示，从下至上依次包括衬底200及半导体纳米线300；
所述半导体纳米线300设置在所述衬底200表面；
周期性排列的所述半导体纳米线300与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度；
所述半导体纳米线300为多个多量子点层302堆叠组成的半导体纳米线300；
所述衬底200下方接触设置有背面电极100，所述半导体纳米线300上方接触设置有正面透明电极400，所述半导体纳米线300从下至上依次包括第一掺杂层301、多量子点层302及第二掺杂层303；
其中，所述第一掺杂层301与所述第二掺杂层303的掺杂类型不同。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中将所述半导体纳米线300分成了三个部分，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
需要注意的是，所述正面透明电极400为石墨烯电极或二硫化钼电极。上述电极材料可直接转移到纳米线阵列上，不需要台面平坦化，工艺简单，导电性好，而且透明度高。
背电极沉积在衬底200上，与衬底200电连接，电极组分取决于衬底200类型以降低欧姆接触电阻，比如对于n型GaAs衬底200通常采用金-锗-镍(Au-Ge-Ni)材料，对于p型GaAs衬底200通常选择钛-铂-金(Ti-Pt-Au)材料。
特别的，所述第一掺杂层301的基底材料与所述第二掺杂层303的基底材料相同；更进一步地，所述多量子点层302的基底材料、所述第一掺杂层301的基底材料及所述第二掺杂层303的基底材料均相同，基底材料相同可使相邻的材料在接触面上的晶格匹配程度更高，降低缺陷密度，减小电阻抗，从而降低器件的损耗，提高输出功率。
需要注意的是，所述多量子点层302为n型掺杂的多量子点层302，n型掺杂的多量子点层302中的多数载流子为电子，种类单一，更方便计算所述半导体纳米线300与周围空气组成的光子晶体的结构参数与缺陷类型，降低生产难度。
本具体实施方式中将所述半导体纳米线300分为了三部分，即所述第一掺杂层301、所述多量子点层302及所述第二掺杂层303，其中所述第一掺杂层301及所述第二掺杂层303掺杂类型不同，以n型掺杂的多量子点层302为例，工作时，在器件施加p层侧为负、n层侧为正的电压时，所述多量子点层302导带中的电子被扫向n区，这种反向抽取导致电子载流子浓度的减少，使得导带子带间跃迁概率降低，由其产生的中红外光强度降低，从而实现辐射光强调制，采用本具体实施方式，可大大增加出射光的调制速度，实现快速调制开关。
本申请还提供了一种红外热辐射光源，所述红外热辐射光源包括上述任一种红外热辐射光源。本申请所提供的红外热辐射光源，从下至上依次包括衬底200及半导体纳米线300；所述半导体纳米线300设置在所述衬底200表面；周期性排列的所述半导体纳米线300与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度。本申请提供的技术方案中，由于所述半导体纳米线300可直接从所述衬底200表面的预定位置开始生长，相比于现有技术，不需要先整层生长再刻蚀出柱状结构，简化了工艺，节约了原料，同时所述半导体纳米线300的生长速度远快于整层生长再刻蚀，因此降低了所述红外光源的生产成本；此外，使用纳米线生长技术不需要考虑所述半导体纳米线300与所述衬底200的晶格适配问题，扩大了材料的选择范围；还有，所述半导体纳米线300的侧壁光滑，具有较高的Q因子，可进一步缩窄发射光谱。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的红外光源及红外传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种红外热辐射光源，其特征在于，从下至上依次包括衬底及半导体纳米线；
所述半导体纳米线设置在所述衬底表面；
周期性排列的所述半导体纳米线与周围的空气形成二维光子晶体，所述二维光子晶体用于限缩出射光的光谱宽度；
所述衬底下方接触设置有背面电极，所述半导体纳米线上方接触设置有正面透明电极；
所述正面透明电极为石墨烯电极或二硫化钼电极。
2.如权利要求1所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述半导体纳米线为多量子点层组成的半导体纳米线。
3.如权利要求1所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述半导体纳米线从下至上依次包括第一掺杂层、多量子点层及第二掺杂层；
其中，所述第一掺杂层与所述第二掺杂层的掺杂类型不同。
4.如权利要求3所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述第一掺杂层的基底材料与所述第二掺杂层的基底材料相同。
5.如权利要求4所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述多量子点层的基底材料、所述第一掺杂层的基底材料及所述第二掺杂层的基底材料相同。
6.如权利要求3所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述多量子点层为n型掺杂的多量子点层。
7.如权利要求2至6任一项所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述多量子点层的量子点导带子带间的跃迁波长的范围为2微米至15微米，包括端点值。
8.如权利要求1所述的红外热辐射光源，其特征在于，所述半导体纳米线的直径的范围为10纳米至1000纳米，包括端点值。
9.一种红外传感器，其特征在于，所述红外传感器包括如权利要求1至8任一项所述的红外热辐射光源。
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