CN111653631B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种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,包括基底、第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜，且所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜依次叠加设置所述基底上，所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层以及分布式布拉格反射镜组成光学微腔。本发明有效光学吸收强且工作波长随入射光角度变化而不会发生变化。
Description
技术领域
本发明涉及热电子光探测器的技术领域，尤其是指一种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。
背景技术
热电子光探测器是一种亚禁带光探测器，具有响应时间短，探测频谱宽和能室温操作等优点。热电子光探测器的性能用响应度来表征，即器件在单位入射光功率下的电流输出。从结构上来分，有金属-半导体结热电子光探测和金属-介质-金属结热电子光探测器两种类型。
在金属-介质-金属结热电子光探测器中，两层金属作为光学吸收材料，共同组成不透明金属层，同时又作为探测器的两个电极用以输出电信号。其中金属-介质-金属结热电子光探测器的工作原理可分为四步：第一步：当入射光信号照射到探测器上，在不透明金属层内引起光学吸收，但由于金属的趋肤深度，第一层金属电极光学吸收大于第二层金属电极光学吸收，因此存在光学净吸收；第二步：金属中费米能级附近的电子得到入射光子的能量跃迁至高能级产生处于非热力学平衡态的热电子；第三步：产生的热电子在金属中自由扩散输运至金属-介质界面处；第四步：成功到达界面处的热电子越过电极中间层到达对电极被收集，光学净吸收造成两个电极收集的热电子个数不相等而形成输出电流信号。
为了增强热电子光探测器的性能指标，可以构造金属或介质微纳结构，使得入射光信号吸收和热电子的电学输运都得到增强。然而，在增强性能指标的同时，具有工艺复杂、成本高昂和难以大规模制备等缺点。相反，平面型热电子光探测器具有工艺简单，成本低廉和能大规模制备等优点。但无论是微纳结构和平面型热电子光探测器，器件的工作波长都随信号光入射角度变化而变化，因此会削弱热电子光探测器实际应用的前景。
现有平面型金属-介质-金属结热电子光探测器有两个缺点：一是由两个电极组成的不透明金属层对应的效光学吸收较弱，因为平面多层结构一般要构造光学微腔，在微腔内形成法布里-珀罗共振实现光学完美吸收。光学微腔由三个组成部分：半透明金属层、微腔中间层和不透明金属层构成，但半透明金属层占据了相当部分的光学吸收，导致在两个电极内的有效光学吸收较弱。二是因为法布里-珀罗共振对信号光的入射角度很敏感，因此工作波长随入射光角度变化而变化。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中有效光学吸收不强以及工作波长随入射光角度变化而变化的问题，从而提供一种有效光学吸收强以及工作波长随入射光角度变化而不会发生变化的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。
为解决上述技术问题，本发明的一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，包括基底、第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜，且所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜依次叠加设置所述基底上，所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层以及分布式布拉格反射镜组成光学微腔。
在本发明的一个实施例中，所述基底是玻璃片、塑料、陶瓷、金属、木材中的任意一种。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属薄膜和所述第二金属薄膜的材料相同。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属薄膜是金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铝薄膜中的任意一种。
在本发明的一个实施例中，所述电极中间层采用氧化锌薄膜、氧化铝薄膜、二氧化钛薄膜中的任意一种。
在本发明的一个实施例中，所述微腔中间层采用锗薄膜、碲薄膜、硅薄膜中的任意一种。
在本发明的一个实施例中，所述分布式布拉格反射镜由周期性交替排列的两层氧化物薄膜构成。
在本发明的一个实施例中，所述两层氧化物薄膜是由二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜、二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜中的任意二种构成。
本发明还提供了一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法，用于制造所述的热电子光探测器，包括如下步骤：在基底上用电子束蒸镀法镀上第一金属薄膜；在所述第一金属薄膜上用原子层沉积法沉积电极中间层；在所述电极中间层用电子束蒸镀法镀上第二金属薄膜；在所述第二金属薄膜上用电子束蒸镀法沉积微腔中间层；在所述微腔中间层上用磁控溅射法生长多个周期性交替排列的氧化物薄膜形成分布式布拉格反射镜。
在本发明的一个实施例中，在所述步骤S1之前，还包括对所述基底进行清洗的步骤。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的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，具有很高的响应度，一般情况下高于国际产品2-3倍；设计简明、结构新颖,且工艺简单、价格低廉，并不局限于某个材料，拓展了热电子光探测器的应用范围；再者，还可以通过调节结构的几何参数，如微腔中间层厚度改变工作波长范围，具有良好的适应性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的示意图；
图2是本发明入射光信号偏振态与工作波长的变化示意图；
图3是本发明工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法的流程图。
说明书附图标记说明：11-基底，12-第一金属薄膜，13-电极中间层，14-第二金属薄膜，15-微腔中间层，16-分布式布拉格反射镜。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，包括基底11、第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15和分布式布拉格反射镜16，且所述第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15和分布式布拉格反射镜16依次叠加设置所述基底11上，所述第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15以及分布式布拉格反射镜(简称：DBR)16组成光学微腔。
本实施例所述工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，包括基底11、第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15和分布式布拉格反射镜16，且所述第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15和分布式布拉格反射镜16依次叠加设置所述基底11上，所述基底11起到物理支撑的作用，所述第一金属薄膜12作为底电极，所述第二金属薄膜14作为顶电极，所述第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15以及分布式布拉格反射镜16组成光学微腔，当入射光信号照射在平面型金属-介质-金属结热电子光探测上，在光学微腔内发生法布里-珀罗共振，在金属电极内引起完美光学吸收，两层金属电极作为不透明金属层吸收了所有入射光信号能量，而所述分布式布拉格反射镜16内不产生光学吸收，由于法布里-珀罗共振波长是器件的工作波长，且所述工作波长随入射角的变化率与微腔中间层15的折射率的平方成反比，因此，折射率越大，工作波长位置随入射角度变化越不明显，当折射率大于一定数值时可以认为，工作波长位置与入射角度无关；另外，本申请所述的热电子光探测器具有很高的响应度。
由于所述基底11仅起到物理支撑的作用，因此可以选择多种材料。具体地，所述基底11可以是玻璃片、塑料、陶瓷、金属、木材等中的任意一种。
所述第一金属薄膜12和所述第二金属薄膜14的材料相同。本实施例中所用的电极为金属薄膜，只要在光学微腔内产生法布里-珀罗共振，就可以在金属薄膜光学吸收，因此任何的金属薄膜都是可以的。具体地，所述第一金属薄膜可以是金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铝薄膜中的任意一种。
所述电极中间层13采用氧化锌薄膜、氧化铝薄膜、二氧化钛薄膜中的任意一种。
所述微腔中间层15采用锗薄膜、碲薄膜、硅薄膜中的任意一种。具体地，如锗的折射率在可见光和近红外波段内大于4，使用锗薄膜作为大折射率的微腔中间层15，可以使器件的工作波长(work wavelength)不随入射光角度(incident l ight angle)变化而变化，如图2所示，当入射光信号偏振态为TE(横电)时，工作波长在800nm附近。当入射光信号偏振态为TM(横磁)时，工作波长在845nm附近。更重要的是，在光学吸收一定的情况下，热电子光探测器的响应度与工作波长密切相关，当折射率大于3.5时可以认为，波长与入射光角度无关，响应度也与入射光角度无关。当条件所示微腔中间层15的几何参数，如厚度，就可以改变工作波长范围，具有良好的适应性。
所述分布式布拉格反射镜16由周期性交替排列的两层氧化物薄膜构成。所述两层氧化物薄膜是由二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜、二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜中的任意二种构成。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法，用于制造实施例一所述的热电子光探测器，包括如下步骤：步骤S1：在基底11上用电子束蒸镀法镀上第一金属薄膜12；步骤S2：在所述第一金属薄膜12上用原子层沉积法沉积电极中间层13；步骤S3：在所述电极中间层13用电子束蒸镀法镀上第二金属薄膜14；步骤S4：在所述第二金属薄膜14上用电子束蒸镀法沉积微腔中间层15；步骤S5：在所述微腔中间层15上用磁控溅射法生长多个周期性交替排列的氧化物薄膜形成分布式布拉格反射镜16。
本实施例提供一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法，所述步骤S1中，在基底11上用电子束蒸镀法镀上第一金属薄膜12，使所述第一金属薄膜12位于所述基底11上，因此所述第一金属薄膜12作为底电极；所述步骤S2中，在所述第一金属薄膜12上用原子层沉积法沉积电极中间层13，使所述电极中间层13位于所述第一金属薄膜12；所述步骤S3中，在所述电极中间层13用电子束蒸镀法镀上第二金属薄膜14，使所述第二金属薄膜14位于所述电极中间层13上，因此所述第二金属薄膜14作为顶电极；所述步骤S4中，在所述第二金属薄膜14上用电子束蒸镀法沉积微腔中间层15，使所述微腔中间层15位于所述第二金属薄膜14上；所述步骤S5中，在所述微腔中间层15上用磁控溅射法生长多个周期性交替排列的氧化物薄膜形成分布式布拉格反射镜16，使所述分布式布拉格反射镜16位于所述微腔中间层15上，由于所述第一金属薄膜12、电极中间层13、第二金属薄膜14、微腔中间层15以及分布式布拉格反射镜16组成光学微腔，当入射光信号照射在平面型金属-介质-金属结热电子光探测上，在光学微腔内发生法布里-珀罗共振，在金属电极内引起完美光学吸收，两层金属电极作为不透明金属层吸收了所有入射光信号能量，而所述分布式布拉格反射镜16内不产生光学吸收，由于法布里-珀罗共振波长是器件的工作波长，且所述工作波长随入射角的变化率与微腔中间层15的折射率的平方成反比，因此，折射率越大，工作波长位置随入射角度变化越不明显，当折射率大于一定数值时可以认为，工作波长位置与入射角度无关；另外，本申请工艺简单、价格低廉，并不局限于某个材料，有利于拓展热电子光探测器的应用范围。
在所述步骤S1之前，还包括对所述基底11进行清洗的步骤，从而可以保证所述热电子光探测器的制造品质。
下面详细介绍如何制造所述热电子光探测器：
第一种方式：以石英玻璃为基底11、以金薄膜为底电极和顶电极、以氧化锌薄膜为电极中间层13、以锗薄膜为微腔中间层15、以5个周期交替排列的氧化物薄膜为分布式布拉格反射镜16，按如下步骤制备工作波长与入射光角度无关的平面型热电子光探测器：
将石英玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上200nm厚的金薄膜；用原子层沉积法生长5nm厚的氧化锌薄膜；在氧化锌薄膜上用电子束蒸镀法镀上20nm厚的金薄膜；用电子束蒸镀法沉积50nm的锗薄膜；在二氧化钛薄膜上用磁控溅射法生长5个周期的交替排列的二氧化硅薄膜和二氧化钛薄膜，厚度分别为125nm和75nm。
上述所用的电极为金薄膜，只要在光学微腔内产生法布里-珀罗共振，就可以在金薄膜光学吸收，因此任何的金属薄膜都是可以的。另外，使用锗薄膜作为大折射率的微腔中间层15，可以使器件的工作波长不随入射光角度变化而变化。
第二种方式：以单晶硅片为基底11、以银薄膜为底电极和顶电极、以氧化铝薄膜为电极中间层13、以碲薄膜为微腔中间层15、以5个周期交替排列的氧化物薄膜为分布式布拉格反射镜16，按如下步骤制备工作波长与入射光角度无关的平面型热电子光探测器：
将单晶硅片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上150nm厚的银薄膜；用原子层沉积法生长8nm厚的氧化铝薄膜；在氧化锌薄膜上用电子束蒸镀法镀上15nm厚的银薄膜；用电子束蒸镀法沉积80nm厚的碲薄膜；在碲薄膜上用磁控溅射法生长5个周期的交替排列的氧化铝薄膜和二氧化硅薄膜，厚度分别为80nm和150nm。
第三种方式：以石英玻璃为基底11、以铜薄膜为底电极和顶电极、以二氧化钛薄膜为电极中间层13、以硅薄膜为微腔中间层15、以4个周期交替排列的氧化物薄膜为分布式布拉格反射镜16，按如下步骤制备工作波长与入射光角度无关的平面型热电子光探测器：
将石英玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上100nm厚的铜薄膜；用原子层沉积法生长5nm厚的二氧化钛薄膜；在二氧化钛薄膜上用电子束蒸镀法镀上8nm厚的铜薄膜；用电子束蒸镀法沉积80nm厚的硅薄膜；在硅薄膜上用磁控溅射法生长4个周期的交替排列的氧化铝薄膜和二氧化钛薄膜，厚度分别为150nm和100nm。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：包括基底、第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜，且所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层和分布式布拉格反射镜依次叠加设置所述基底上，所述第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、微腔中间层以及分布式布拉格反射镜组成光学微腔，其中所述微腔中间层折射率大于3.5。
2.根据权利要求1所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述基底是玻璃片、塑料、陶瓷、金属、木材中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述第一金属薄膜和所述第二金属薄膜的材料相同。
4.根据权利要求3所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述第一金属薄膜是金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铝薄膜中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述电极中间层采用氧化锌薄膜、氧化铝薄膜、二氧化钛薄膜中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述微腔中间层采用锗薄膜、碲薄膜、硅薄膜中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述分布式布拉格反射镜由周期性交替排列的两层氧化物薄膜构成。
8.根据权利要求7所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器，其特征在于：所述两层氧化物薄膜是由二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜、二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜中的任意二种构成。
9.一种工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法，用于制造权利要求1-8中任意一项所述的热电子光探测器，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在基底上用电子束蒸镀法镀上第一金属薄膜；
步骤S2：在所述第一金属薄膜上用原子层沉积法沉积电极中间层；
步骤S3：在所述电极中间层用电子束蒸镀法镀上第二金属薄膜；
步骤S4：在所述第二金属薄膜上用电子束蒸镀法沉积微腔中间层，其中所述微腔中间层折射率大于3.5；
步骤S5：在所述微腔中间层上用磁控溅射法生长多个周期性交替排列的氧化物薄膜形成分布式布拉格反射镜。
10.根据权利要求9所述的工作波长与入射光角度无关的热电子光探测器的制造方法，其特征在于：在所述步骤S1之前，还包括对所述基底进行清洗的步骤。
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