CN113345971B - 一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法，属于微纳光学和窄带光电探测器领域。本发明通过调整介质超表面反射镜的横向参数，能够在不改变其余的参数条件下调整探测器的响应波长，同时集成多个波长的窄带探测单元，每一种窄带探测单元只对特定波长电磁波有较高的响应度，对其他波长的入射光响应度较低，从而实现窄带多色探测。本发明的窄带光探测器具有较好的角度稳定性，当入射角度小于20°，窄带光电探测器对TM偏振态的峰值响应波长不发生改变；超表面反射镜的几何参数满足米氏谐振条件，使其对入射角度变化引入的光程相位变化有补偿效应，从而使谐振增强窄带探测器对TE偏振态的峰值响应波长的角度敏感性较小。

Description

一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳光学和窄带光电探测器领域，更具体地，涉及一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法。
背景技术
窄带光电探测器有广泛的应用领域,如气体探测,特殊爆炸物质识别和光谱分析等。
光电探测薄膜如胶体量子点薄膜、有机光电薄膜，二维光电材料等,具有响应度高,制备简单等优点。增加光电探测薄膜厚度能增加响应度，同时会增加暗电流,在不增加薄膜厚度的前提下增加光电探测薄膜上的外量子效率有重要意义。
光学谐振腔能使得谐振电磁波被局域在谐振腔内,将光电探测薄膜放在光学谐振腔内，谐振电磁波在谐振腔内来回反射最终被光电探测薄膜吸收，谐振腔能增加有限厚度光电探测薄膜吸收,进而提高探测器的响应度。同时谐振腔具有波长选择能力,能选择性增强特定波长上光电探测薄膜的吸收,实现窄带探测，将光电探测薄膜放置在光学谐振腔能同时增强响应度和实现窄带探测，这类探测器称为谐振增强光电探测器。
现有谐振增强光电探测器的反射镜是一般为多层膜DBR反射镜，DBR反射镜在宽波段范围内有较高的反射率，适合作为光学谐振腔的反射镜；但是DBR反射镜的制备工艺复杂，而且不具备调控谐振波长的能力，基于DBR反射镜的谐振增强光电探测器对入射角度敏感。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法，其目的在于解决DBR反射镜的制备工艺复杂，不具备调控谐振波长的能力，且基于DBR反射镜的谐振增强光电探测器对入射角度敏感的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超表面谐振增强窄带光电探测器，包括：光学窗口片、介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体、光电探测薄膜、读出电极和金属反射镜；
所述光学窗口片、介质谐振腔腔体、金属反射镜从上至下依次分布；所述介质超表面反射镜、光电探测薄膜从上至下依次嵌入在介质谐振腔腔体内；所述读出电极分布在光电探测薄膜两侧；
所述介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体和金属反射镜组成光学谐振腔；所述介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，其几何参数满足米氏谐振条件；
所述光学窗口片，用于透射入射电磁波，使入射电磁波进入光学谐振腔内；
所述介质超表面反射镜与金属反射镜，共同用于将入射电磁波中谐振波长的电磁波局域在光学谐振腔内来回反射；其中，谐振波长由介质超表面反射镜的横向几何参数确定；
光电探测薄膜，用于将入射电磁波转换为电信号；
读出电极，用于将光电探测薄膜产生的电信号转引出到外部电路上。
进一步地，介质超表面反射镜的折射率是光学窗口片折射率的2-3倍。
进一步地，介质超表面反射镜为无损耗介质材料。
进一步地，介质超表面反射镜的反射率在80％-90％之间，反射带宽为谐振波长的0.25倍。
进一步地，介质超表面反射镜的反射率能使光学谐振腔满足临界匹配条件。
进一步地，介质超表面反射镜由介质圆柱阵列或多边形阵列构成；其几何参数包括阵列的周期、高度，横向几何参数包括圆柱的直径或多边形的边长。
进一步地，光电探测薄膜的厚度为10-150nm。
进一步地，光电探测薄膜位于光学谐振腔中电场强度最强的位置。
进一步地，金属反射镜在探测波段上的反射率大于98％。
按照本发明另一方面提供了一种上述超表面谐振增强窄带光电探测器的制备方法，包括：
S1.在光学窗口片上沉积硅、锗、砷化镓或硫系玻璃薄膜；
S2.通过紫外曝光、电子数曝光或纳米压印对薄膜进行图像化，通过ICP或RIE刻蚀形成介质光学天线阵列；
S3.使用氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化铝、旋涂玻璃或光刻胶对介质光学天线阵列进行掩埋；
S4.通过光刻或者热蒸发制备读出电极，通过喷涂、旋涂、喷墨打印或刮涂制备光电探测薄膜；
S5.低温沉积氮氧化硅、氮化硅、氧化硅或氧化铝，形成介质谐振腔腔体；
S6.沉积金属反射镜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明通过调整介质超表面反射镜的横向参数，包括圆柱的直径、多边形的边长，能够在不改变其余的参数条件下(包括光学天线阵列的高度、谐振腔的厚度、光电探测薄膜的位置)调整探测器的响应波长，同时集成多个波长的窄带探测单元，每一种窄带探测单元只对特定波长电磁波有较高的响应度，而对其他波长的入射光响应度较低，从而实现窄带多色探测。
(2)本发明的窄带光探测器具有较好的角度稳定性，当入射角度小于20°，窄带光电探测器对TM偏振态的峰值响应波长不发生改变；超表面反射镜的几何参数满足米氏谐振条件，使其对入射角度变化引入的光程相位变化有补偿效应，从而使谐振增强窄带探测器对TE偏振态的峰值响应波长的角度敏感性较小。
(3)本发明使用的介质超表面反射镜可通过一次光刻成型，制备工艺简单。
附图说明
图1为超表面谐振增强窄带光电探测器示意图；
图2为超表面谐振增强窄带光电探测器横截面图；
图3为超表面谐振增强窄带光电探测器中超表面反射镜的反射相位和谐振腔体的反射相位。
图4为超表面反射镜的反射率以及谐振增强窄带光电探测器的光谱响应度曲线；
图5为谐振波长以及非谐振波长电磁波入射，光电探测器内部电场分布图；
图6为谐振增强窄带光电探测器的角度响应图，θ<0表示TE偏振态入射，θ>0表示TM偏振态入射；
图7为谐振增强窄带多色探测的响应度曲线；
图8为谐振增强窄带探测的制备流程；
其中，100表示光学窗口片、200表示介质超表面反射镜、300，500表示介质谐振腔腔体、401表示光电探测薄膜、400表示读出电极，600表示金属反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参考图1和图2，本发明提供的一种超表面谐振增强窄带光电探测器，包括：光学窗口片100、介质超表面反射镜200、介质谐振腔腔体300,500、光电探测薄膜401、读出电极400和金属反射镜600；光学窗口片、介质谐振腔腔体、金属反射镜从上至下依次分布；介质超表面反射镜、光电探测薄膜从上至下依次嵌入在介质谐振腔腔体内；读出电极分布在光电探测薄膜两侧；介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体和金属反射镜组成光学谐振腔；
介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，其几何参数满足米氏谐振条件，以获得较高的反射率和较宽的反射带宽，并补偿因为角度变化引起的谐振腔光程相位变化，从而得到高品质品质因子的窄带光电探测器，窄带光电探测峰值响应波长不随入射角度变化改变；补偿因为角度变化引起的谐振腔光程相位变化原理如下：
谐振腔光程相位与入射角度的关系为2*π/λ*n*cos(theta)，光程相位变化与角度关系为2*π/λ*n*(1-cos(theta))，米式谐振的反射相位随着角度变化关系为2*π/λ*n*(cos(theta)-1)，二者抵消，因此谐振波长不发射改变；
光学窗口片，用于透射入射电磁波，使入射电磁波进入光学谐振腔内；介质超表面反射镜与金属反射镜，共同用于将入射电磁波中谐振波长的电磁波局域在光学谐振腔内来回反射；其中，谐振波长由介质超表面反射镜的横向几何参数确定；光电探测薄膜，用于将入射电磁波信号转换为电信号；读出电极，用于将光电探测薄膜产生的电信号转引出到外部电路上。
光学窗口片，其在目标探测波段上有很高的透过率且折射率较低，材料为氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、石英、蓝宝石等；高透过率为了实现高的光电转换效率，此基础上，本发明还要求光学窗口片具有较低折射率，优选地，介质超表面反射镜折射率是光学窗口片折射率的2-3倍，以实现介质超表面反射镜有高的反射率和宽的反射带宽，较好的角度稳定性。
介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，介质光学天线阵列包括圆柱阵列、多边形阵列等，所述阵列按正方晶格或六方晶格进行排列，可通过紫外曝光、电子数曝光或纳米压印进行图形化，以及ICP或RIE刻蚀得到。介质光学天线阵列的几何参数包括阵列的周期，高度和光学天线的横向几何尺寸，如圆柱的直径和多边形的边长。
介质超表面反射镜的材料为高折射率无损耗介质材料，如硅、锗、砷化镓、硫系玻璃等；介质超表面反射镜在探测波段上有较高的反射率，但并不是绝对反射，优选地，其反射率在80％-90％之间，相比常规体探测器具有更高的光电转换效率；进一步优选地，介质超表面反射镜的反射率能使光学谐振腔满足临界匹配条件，从而使光学谐振腔对探测目标电磁波有最佳吸收；进一步优选地，反射带宽为谐振波长的0.25倍，以实现对非谐振波的吸收尽可能弱；选用无损耗介质材料是为了使器件有高的光电转换效率；
光电探测薄膜具有光电转换能力，包括胶体量子点薄膜、有机光电薄膜和二维光电材料等，可通过喷涂、旋涂、喷墨打印、刮涂等方式制备；光电探测薄膜厚度为10-150nm，目的是减小暗电流和提升窄带探测器的品质因数(窄带探测器的品质因数
Figure BDA0003087290630000061
λPeak表示探测器的峰值响应波长，FWHM表示探测器响应度为峰值响应度一半对应的带宽)；优选地，参见图5，光电探测薄膜位于光学谐振腔中电场强度最强的位置。谐振波长在光学谐振腔内来回反射形成驻波，在驻波波腹点上，电场有很强的增强效应。光电探测薄膜上功率吸收密度为Imag{ε}*|E|2，将光电探测薄膜放在谐振腔电场强度最强位置目的是增加光电探测薄膜的功率吸收密度,从增加探测器的响应度，ε表示光电转换薄膜的介电常数，E表示光电转换薄膜上的电场强度。
介质谐振腔腔体材料为低折射率无损耗介质材料，包括氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化铝、旋涂玻璃、光刻胶等；
金属反射镜在探测波段上有很高的反射率，优选地，反射率大于98％，以实现高光电转换效率的窄带探测，其材料为金、银、铝等；
参见图3，谐振波长λ满足以下关系：Φantenna(λ)+Φcavity＝2*n*π，其中n＝0,1,2……；Φantenna(λ)为介质超表面反射镜的反射相位，Φcavity为介质谐振腔腔体、光电探测薄膜和金属反射镜组成的光学系统的反射相位；
参见图4，谐振增强窄带探测器只在谐振波长点上有很高的响应度，在非谐振波长上的响应度较低；
上述窄带光探测器的工作原理如下：参见图5，入射电磁波经过光学窗口片进入光学谐振腔内，特定波长的电磁波形成谐振模式，局域在光学谐振腔内来回反射被光电探测薄膜吸收，其他波长的电磁波无法形成谐振模式，非谐振电磁波进入光学谐振腔后逃逸到自由空间中，光电探测薄膜吸收非常弱；
图6所示为本发明的窄带光电探测的角度响应特性，当入射角度小于20°，窄带光电探测器对TM偏振态的峰值响应波长不发生改变；通过设计相位补偿，所述谐振增强窄带探测器对TE偏振态的峰值响应波长的角度敏感性较小，说明本发明的探测器具有较好的角度稳定性。
参见图7，基于上述原理，除了通过介质谐振腔腔体厚度调整谐振波长，本发明还可通过调整介质光学天线的横向参数，包括圆柱的直径、多边形的边长，而不改变其余的参数条件下(包括光学天线阵列的高度、谐振腔的厚度、光电探测薄膜的位置)，能调整探测器的响应波长，能同时集成多个波长的窄带探测单元，每一种窄带探测单元只对特定波长电磁波有较高的响应度，而对其他波长的入射光响应度较低，从而实现窄带多色探测。
图8所示为谐振增强窄带探测的制备流程，由于量子点薄膜特殊性，涉及高温以及有机溶液的工艺都需要在量子点涂膜前完成，包括光学天线和读出电极的制备；(1)光学窗口片上沉积锗薄膜；(2)电子束曝光图形化，ICP刻蚀二维光学天线，形成超表面反射镜；(3)使用旋涂玻璃实现光学天线掩埋以及形成谐振腔腔体；(4)光刻或者热蒸发制备读出电极，旋涂量子点光电探测薄膜；(5)低温(60-80℃)沉积SiO2谐振腔；(6)沉积金属铝反射镜。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，包括：光学窗口片、介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体、光电探测薄膜、读出电极和金属反射镜；
所述光学窗口片、介质谐振腔腔体、金属反射镜从上至下依次分布；所述介质超表面反射镜、光电探测薄膜从上至下依次嵌入在介质谐振腔腔体内；所述读出电极分布在光电探测薄膜两侧；
所述介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体和金属反射镜组成光学谐振腔；所述介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，其几何参数满足米氏谐振条件；
所述光学窗口片，用于透射入射电磁波，使入射电磁波进入光学谐振腔内；
所述介质超表面反射镜与金属反射镜，共同用于将入射电磁波中谐振波长的电磁波局域在光学谐振腔内来回反射；其中，谐振波长由介质超表面反射镜的横向几何参数确定；
光电探测薄膜，用于将入射电磁波转换为电信号；
读出电极，用于将光电探测薄膜产生的电信号转引出到外部电路上。
2.根据权利要求1所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的折射率是光学窗口片折射率的2-3倍。
3.根据权利要求2所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜为无损耗介质材料。
4.根据权利要求3所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的反射率在80％-90％之间，反射带宽为谐振波长的0.25倍。
5.根据权利要求3所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的反射率能使光学谐振腔满足临界匹配条件。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜由介质圆柱阵列或多边形阵列构成；其几何参数包括阵列的周期、高度，横向几何参数包括圆柱的直径或多边形的边长。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，光电探测薄膜的厚度为10-150nm。
8.根据权利要求7所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，光电探测薄膜位于光学谐振腔中电场强度最强的位置。
9.根据权利要求1-8任一项所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，金属反射镜在探测波段上的反射率大于98％。
10.一种权利要求1-9任一项所述超表面谐振增强窄带光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S1.在光学窗口片上沉积硅、锗、砷化镓或硫系玻璃薄膜；
S2.通过紫外曝光、电子数曝光或纳米压印对薄膜进行图像化，通过ICP或RIE刻蚀形成介质光学天线阵列；
S3.使用氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化铝、旋涂玻璃或光刻胶对介质光学天线阵列进行掩埋；
S4.通过光刻或者热蒸发制备读出电极，通过喷涂、旋涂、喷墨打印或刮涂制备光电探测薄膜；
S5.低温沉积氮氧化硅、氮化硅、氧化硅或氧化铝，形成介质谐振腔腔体；
S6.沉积金属反射镜。
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