CN1921151A - 一种近场光学增强型可见光探测器 - Google Patents

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康亭亭
刘祥林
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Abstract

本发明涉及光探测器技术领域，特别是一种近场光学增强型可见光探测器的器件结构。利用表面等离激元的近场光场增强效应，即表面等离激元，表面等离激元将光场限制在一个小的区域内，表面等离激元是光场在导体表面与载流子相互耦合形成的振荡波，来提高光吸收效率。本发明中表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜来实现的，同时该金属薄膜又具有肖特基接触的功能。

Description

一种近场光学增强型可见光探测器
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域，特别是一种利用近场光学效应来提高光吸收效率的肖特基结构可见光探测器结构。
背景技术
目前，塑料光纤因为其制造简单、价格便宜、接续快捷等优点，而备受瞩目。塑料光纤最先是由日本、美国等发达国家的一些大学和公司研究出来，进而成为新一代短距离光传输介质。塑料光纤主要应用于低速、短距离的传输中，在汽车、消费电子、工业控制总线系统和互联网领域发展前景良好，尤其适宜于局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间的先传输。
出于损耗、带宽、热稳定等方面的考虑，塑料光纤的工作波长一般选择在可见光范围内。而InGaN/GaN(铟镓氮/镓氮)在可见光范围作为光源、探测器已经获得巨大成功，因此本发明选择InGaN/GaN体系。随着氧化锌(ZnO)材料的发展，由于两种材料体系性质的相似性，本发明也将适用于ZnCdO/ZnO(氧化锌镉/氧化锌)体系。
发明内容
本发明中所涉及的近场光学效应指的是表面等离激元。表面等离激元是光场在导体表面(一般是金属)与载流子(一般是自由电子)相互耦合形成的振荡波。它可以看作是光场被导体表面所俘获而产生的。在这种情况下，自由电子以集体振荡的形式与光场发生共振。从而形成表面等离激元的独特性质。
本发明主要利用表面等离激元的近场光场增强效应。表面等离激元将光场限制在一个小的区域内，从而使该区域内光场的电场强度大大增强，产生一些只有强光场才可以产生的非线性光学现象，如表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)。场光场增强效应应用在光探测器中可以大大提高探测器的响应度，减少响应时间。
本发明提出了一种不同于一般文献的新型器件结构。利用金属银在可见光区可以比红外光区更有效的产生表面等离激元的性质[1]，将表面等离激元利用到可见光探测器上。本发明的器件结构也充分利用银和GaN(ZnO)材料体系的性质，让电极实现了表面等离激元激发、耦合功能。
同时由于入射光在光滑的金属表面不会激发出表面等离激元，因此本发明利用金属的周期性的结构来使入射光在金属表面激发出表面等离激元。
器件基本原理：
光从透明肖特基电极入射到Ag肖特基电极上，在栅状结构的作用下，将在Ag肖特基电极的上下表面激发表面等离激元。表面等离激元将大大增强Ag肖特基电极的上下表面的光场强度。从而提高InGaN有源区的光吸收，产生大量的载流子，形成响应电流
利用银(Ag)来制作电极，主要有以下考虑：
(1)Ag和本征InGaN[6]、ZnCdO(未掺杂的本征InGaN、ZnCdO一般为n型)可以形成有效的肖特基接触。
(2)Ag是一种常用的激发表面等离激元的材料，它的光损耗低。从而可以让上表面激发的表面等离激元有效地耦合到下表面，在下表面激发出表面等离激元可以大大提高载流子的产生效率，提高响应度。
(3)Ag和GaN的界面在可见光激发下可以有效地形成表面等离激元。
技术方案
本发明中的近场光学增强型可见光探测器，利用表面等离激元的近场光场增强效应，即表面等离激元，表面等离激元将光场限制在一个小的区域内，表面等离激元是光场在导体表面与载流子相互耦合形成的振荡波，来提高光吸收效率，表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜(即所附图1中的表面等离激元激发区)来实现的，同时该金属薄膜又具有肖特基接触的功能。
所述的周期性结构的金属薄膜是表面等离激元激发区。
周期性结构的金属薄膜结构(即所附图1中的表面等离激元激发区)，在金属薄膜的二维平面上(包括金属薄膜与光吸收的有源区一侧的接触面，金属薄膜不于有源区接触的另一表面，或者同时包括两个平面)，存在高度的周期性的变化(即平面的凹凸变化)。
高度的周期性的变化，包括条纹状、环形、网格、周期性的岛等二维结构，变化的周期一般为数百纳米，该结构对将入射光转化为表面等离激元起决定性作用。
表面等离激元激发区的金属薄膜最薄处厚度应该介于几个纳米(nm)到几十纳米(nm)之间，此时一般才可以产生有效的表面等离激元耦合。
金属薄膜所用金属应该有以下性质：既可以与可见光相互作用而激发表面等离激元，又可以与金属薄膜下的半导体形成有效的肖特基接触。例如本发明采用银、铝。
表面等离激元激发区的金属薄膜上如果存在ITO等透明氧化物电极，则可以改善电极的电流扩散、减小工作电压、减小器件的发热，从而改善器件性能。存在透明电极与否，都在权利要求之内。
可见光的近场光学增强型光探测器的材料体系包括InGaN/GaN体系，还包括ZnCdO/ZnO体系。
下面说明器件的相关结构、功能。
近场光学增强型可见光探测器的具体结构、组成    见附图1，2。
附图说明
图1为器件结构示意图。
图2为器件结构表面的俯视图。
具体实施方式
本发明中的器件结构制备方法：
1)先在衬底(如常用的蓝宝石衬底)上生长几个微米厚的n型GaN(n型ZnO)，再在上面生长几十纳米厚的本征InGaN((ZnCdO)；
2)将一部分InGaN(ZnCdO)刻蚀掉，直到露出底部n-GaN(n-ZnO)；
3)在露出的n-GaN(n-ZnO)表面上制作欧姆接触的电极；
4)在InGaN(ZnCdO)表面用银(Ag)制作如图2所示的环形的透明肖特基电极(还可以是条纹状、网格、周期性的岛等二维结构)，二维结构变化的周期一般为数百纳米；
5)还可以在金属薄膜上镀上ITO(即Indium Tin Oxide，中文为掺锡氧化铟)等透明氧化物电极，则可以改善电极的电流扩散、减小工作电压、减小器件的发热，从而改善器件性能。存在透明电极与否，取决于具体的要求。
图1的结构：
由下至上依次为：
(1)衬底：如常用的蓝宝石衬底，主要作用是对器件结构起支撑作用，材料的外延生长必须在衬底上才可以进行；
(2)n型区：对氮化物体系，指衬底上的n-GaN，它由GaN(氮化镓)n型掺杂(一般掺杂剂为硅元素)形成，对氧化物体系指衬底上的n-ZnO，它由ZnO(氧化锌)n型掺杂(一般掺杂剂为铝元素)形成，作用与一般的MIS(金属-绝缘体-半导体)探测器中的半导体层相似；
(3)本征区：对氮化物体系，为i-InGaN，即未掺杂的InGaN(铟镓氮)，对氧化物体系，为i-ZnCdO，即未掺杂的氧化锌镉，主要作用是作为探测器的有源区，入射光将在该层中被吸收，形成载流子，从而形成电信号；
(4)表面等离激元激发区：是有特殊结构的金属银薄膜，该金属银薄膜在探测器中起两个作用；首先是与i-InGaN形成肖特基接触，即一般的MIS探测器中的金属层的作用，其次是由于该金属银层的厚度的设计(最薄处厚度应该介于几个纳米(nm)到几十纳米(nm)之间)，以及它的周期性凹凸结构(条纹状、网格、周期性的岛等二维结构，二维结构变化的周期一般为数百纳米)，这使它在光入射的时候能够激发表面等离激元，从而产生相关的近场光学效应；
(5)欧姆接触：位于n型区上的金属/半导体接触，它用做n型区的欧姆接触。
图2为器件结构表面的俯视图，为方便起见，这里只给出了一种环形的表面周期性结构，还可以是条纹状、网格、周期性的岛等二维结构。
图中，深色表示银膜的凸起部分。浅色表示银膜的凹下起部分。

Claims (9)

1.一种近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，利用表面等离激元的近场光场增强效应，即表面等离激元，表面等离激元将光场限制在一个小的区域内，表面等离激元是光场在导体表面与载流子相互耦合形成的振荡波，来提高光吸收效率，表面等离激元的激发、耦合是通过具有周期性结构的金属薄膜来实现的，同时该金属薄膜又具有肖特基接触的功能。
2、根据权利要求1所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于：所述的周期性结构的金属薄膜是表面等离激元激发区。
3，根据权利要求1所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于：周期性结构的金属薄膜结构，在金属薄膜的二维平面上，存在高度的周期性的变化。
4，根据权利要求3所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，高度的周期性的变化，包括条纹状、环形、网格、周期性的岛二维结构，变化的周期一般为数百纳米，该结构对将入射光转化为表面等离激元起决定性作用。
5，根据权利要求1或2所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，表面等离激元激发区的金属薄膜最薄处厚度应该介于几个纳米到几十纳米之间，此时一般才可以产生有效的表面等离激元耦合。
6，根据权利要求1或2所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，表面等离激元激发区的所用金属应该有以下性质：既可以与可见光相互作用而激发表面等离激元，又可以与金属薄膜下的半导体形成有效的肖特基接触，采用银、铝。
7，根据权利要求1或2所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，表面等离激元激发区的金属薄膜上如果存在ITO透明氧化物电极，则可以改善电极的电流扩散、减小工作电压、减小器件的发热，从而改善器件性能，存在透明电极与否，都在权利要求之内。
8，根据权利要求1所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征在于，可见光的近场光学增强型光探测器的材料体系包括InGaN/GaN体系，还包括ZnCdO/ZnO体系。
9、根据权利要求1所述的近场光学增强型可见光探测器，其特征的主要结构：
由下至上依次为：
(1)衬底：如常用的蓝宝石衬底，主要作用是对器件结构起支撑作用，材料的外延生长必须在衬底上才可以进行；
(2)n型区：对氮化物体系，指衬底上的n-GaN，它由GaNn型掺杂形成，对氧化物体系指衬底上的n-ZnO，它由ZnO，n型掺杂形成，作用与一般的MIS探测器中的半导体层相似；
(3)本征区：对氮化物体系，为i-InGaN，即未掺杂的InGaN，对氧化物体系，为i-ZnCdO，即未掺杂的氧化锌镉，主要作用是作为探测器的有源区，入射光将在该层中被吸收，形成载流子，从而形成电信号；
(4)表面等离激元激发区：是有特殊结构的金属银薄膜，该金属银薄膜在探测器中起两个作用，首先是与i-InGaN形成肖特基接触，即一般的MIS探测器中的金属层的作用，其次是由于该金属银层的厚度的设计，以及它的周期性凹凸结构，这使它在光入射的时候能够激发表面等离激元，从而产生相关的近场光学效应；
(5)欧姆接触：位于n型区上的金属/半导体接触，它用做n型区的欧姆接触；
表面周期性结构，还可以是条纹状、网格、周期性的岛二维结构。
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