CN210040233U - 一种窄光谱响应的热电子光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种窄光谱响应的热电子光电探测器，包括基底以及依次位于所述基底上的第一一维光子晶体、第一空间层薄膜、第一金属层薄膜、第一半导体层薄膜、第二金属层薄膜、第二空间层薄膜和第二一维光子晶体。所述第一金属层和第二金属层上设有分别设有第一电极和第二电极。通过设置两个一维光子晶体的结构参数，和第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长，进而调控窄带宽光电探测器的吸收率光谱，即可实现对光电探测器响应度、响应波长和带宽的调控和优化，获得窄带光谱响应的热电子光电探测器。本方案制备的窄带宽光电探测器可应用于高波长分辨率的光电探测领域，具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种窄光谱响应的热电子光电探测器。
背景技术
光电探测器能被广泛应用于军事和国民经济的各个领域，是光通信、光信息处理的核心元件之一，因而成为国内外研究的重要课题。传统的基于半导体材料的光电探测器通常受到材料禁带的限制，只能探测能量大于禁带的光子。针对这一问题，研究工作者提出了一种基于金属纳米结构的热电子光电探测器。该类器件利用金属纳米结构的表面等离激元产生大量热电子，这些热电子能够发射到半导体或者隧穿氧化物绝缘体形成光电流，可用于光探测。该类器件的工作波长不受半导体禁带的限制，可用于探测能量低于半导体禁带的可见光和近红外光，因而成为国内外研究的前沿热点课题。
在目前研究的各类热电子器件中，金属-绝缘体-金属结构(Metal-Insulator-Metal,MIM)、金属-半导体-金属结构(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)具有结构简单、可制成平面结构等优点而成为国内外研究关注的重点之一。目前，研究工作主要集中在设计不同的光学结构，以提高器件的净光学吸收(即：两金属薄膜的光学吸收之差)，进而提高响应度。例如，F.Wang等人采用棱镜激发表面等离激元来提高MIM热电子器件的净光学吸收，获得15nA/W的响应度；H.Chalabi等人制备了基于Au纳米光栅/Al2O3/Au的热电子光电探测器，利用光栅激发表面等离激元以提高器件的净光学吸收，将响应度提高至80nA/W。然而，与实用化的半导体光电探测器的响应度相比，上述器件的响应度仍然很低。基于上述原因，X.Li将光学Tamm等离极化激元(Tamm Plasmon Polaritons,TPP)引入到MSM热电子光电子探测器。将TPP与MSM相结合，构建了基于TPP的MSM热电子光电探测器。TPP仍不能很好地解决MSM结构中内部量子效率和净光学吸收之间没有同时优化这一问题：利用TPP获得较高的净光学吸收时，Au薄膜必须保持较厚的厚度，这降低了MSM结构的内部量子效率，导致器件在零偏压条件下的最优响应度仍相对较低，仅为13.7μA/W。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种窄光谱响应的热电子光电探测器。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种窄光谱响应的热电子光电探测器，该热电子光电探测器主要包括基底、以及自下而上依次固定设置在基底上的第一一维光子晶体、第一空间层薄膜、第一金属层薄膜、第一半导体层薄膜、第二金属层薄膜、第二空间层薄膜和第二一维光子晶体。所述的第一金属层薄膜和第二金属层薄膜上设有分别固定设有第一电极和第二电极。第一一维光子晶体和第二光子晶体具有不同禁带中心波长，通过分别调控第一一维光子晶体和第二一维光子晶体的结构参数，可以控制第一一维光子晶体和第二一维光子的禁带中心波长，和第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长，进而调控窄带宽光电探测器的吸收率光谱，即可实现对光电探测器响应度、响应波长和带宽的调控和优化。
作为本实用新型的优选方案，所述第一一维光子晶体和第二一维光子晶体均由薄膜介质周期性排列而成。
作为本实用新型的优选方案，所述第一一维光子晶体的薄膜介质为TiO2和SiO2，所述第二一维光子晶体的薄膜介质为SiO2和TiO2。
作为本实用新型的优选方案，所述第一一维光子晶体的周期性排列为10至20个周期，该周期包括一层TiO2薄膜及一层SiO2薄膜，周期的厚度为165.2nm至275.3nm；所述第二一维光子晶体的周期性排列为5至10个周期，该周期包括一层SiO2薄膜及一层TiO2薄膜，所述周期的厚度为165.2nm至275.3nm。
作为本实用新型的优选方案，所述第一一维光子晶体包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层SiO2薄膜的厚度为102.7nm至171.2nm，所述一层TiO2薄膜的厚度为62.5nm至104.1nm；所述第二一维光子晶体包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层SiO2薄膜的厚度为102.7nm至171.2nm，所述一层TiO2薄膜的厚度为62.5nm至104.1nm。
作为本实用新型的优选方案，所述第一空间层为TiO2薄膜，厚度为0至20nm；所述第二空间层为TiO2薄膜，厚度为0至20nm。
作为本实用新型的优选方案，所述第一金属层为Au薄膜，厚度为5nm；所述第一半导体层为ZnO薄膜，厚度为5nm；所述第二金属层为Au薄膜，厚度为5nm。
本实用新型还公开了一种用于窄光谱响应的热电子光电探测器的制备方法，该制备方法主要包括如下步骤：
步骤S1：用溶液多次清洗基底，然后用氧的等离子体处理，在基底的表面溅射两种周期性排列的介质材料，制得第一一维光子晶体。
步骤S2：将介质材料溅射在第一一维光子晶体的表面，制得第一空间层薄膜；将金属材料蒸镀在第一空间层薄膜的表面，制得第一金属层薄膜。
步骤S3：加上掩膜一，将半导体材料溅射在第一金属层薄膜表面，制得第一半导体层薄膜；再将金属材料蒸镀在第一半导体层薄膜表面，制得第二金属层薄膜。
步骤S4：加上掩膜二，将金属材料蒸镀在第一金属层薄膜表面，制得第一电极；将金属材料蒸镀在第二金属层薄膜表面，制得第二电极。
步骤S5：加上掩膜三，将介质材料溅射在第二金属层薄膜表面，制得第二空间层薄膜；将两种周期性排列的介质材料溅射在第二空间层薄膜表面，制得第二一维光子晶体。
作为本实用新型的优选方案，步骤S1中所述溶液为去离子水、酒精或丙酮。
作为本实用新型的优选方案，步骤S1中所述基底为玻璃。
该制备方法在窄带宽光电探测的设计上使用了双一维光子晶体从而实现双Tamm等离极化激元耦合模式，即第一一维光子晶体与第一金属层Au薄膜之间、第二一维光子晶体与第二金属层Au薄膜之间均存在TPP，这两个TPP模式会耦合形成新的模式，称为双TPP耦合模式，双TPP耦合模式能将特定波段的光局域在器件内部，被金属层吸收后产生光电流，获得窄带光谱响应的热电子光电探测器；同时，可以分别调节第一一维光子晶体、第二一维光子晶体的结构参数、第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长，最终实现对窄带宽光电探测器响应度、光谱响应位置和带宽的调控和优化，应用于高波长分辨率光电探测的领域中。
本实用新型所提供了一种窄光谱响应的热电子光电探测器，同时优化了MSM结构中内部量子效率和净光学吸收，其原理是：在传统的MSM热电子光电子探测器设计上创新性地使用了双一维光子晶体，第一一维光子晶体与第一金属层Au薄膜之间、第二一维光子晶体与第二金属层Au薄膜之间均存在TPP模式，这两个TPP模式会耦合形成新的模式，称为双Tamm等离极化激元耦合模式。当器件制成后，在器件表面照射光，当入射光的波长和TPP模式共振波长相同时，入射光就被局域在器件内部被金属层吸收后产生电子，最终形成光电流。与现有的基于TPP的MSM热电子光电探测器，本实用新型还有以下的优势：(1)可以调控第一一维光子晶体、第二一维光子晶体的结构参数、第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长；(2)设计第一金属层、第一半导体层和第二金属层为较薄的厚度，例如都为5nm的厚度，充分提高器件的内部量子效率；(3)在双Tamm耦合模式下，第一金属层Au薄膜和第二金属层Au薄膜之间高达0.95的光学净吸收，进而提高器件的光电响应度；(4)在双Tamm耦合模式下，能实现小于2nm的窄带宽吸收率光谱。最终第一金属层薄膜和第二金属层薄膜吸收光子产生电子数之差形成的光电流和窄带宽的光电响应曲线，实现窄带光电探测。
本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型所提供的光电探测器由双一维光子晶体等离极化激元耦合模式而成，第一一维光子晶体和第二一维光子晶体具有不同的结构参数，通过设置第一一维光子晶体和第二一维光子晶体的结构参数，使第一一维光子晶体和第二一维光子晶体具有不同的禁带位置，第一一维光子晶体与第一金属层Au薄膜之间、第二一维光子晶体与第二金属层Au薄膜之间均存在TPP，这两个TPP模式会耦合形成新的模式，称为双TPP耦合模式，双TPP耦合模式能将特定波段的光局域在器件内部，被金属层吸收后产生光电流，获得窄带光谱响应的热电子光电探测器；同时，可以分别调节第一一维光子晶体、第二一维光子晶体的结构参数、第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长，最终实现对窄带宽光电探测器响应度、光谱响应位置和带宽的调控和优化，应用于高波长分辨率光电探测的领域中。
与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：
(1)本实用新型优化了MSM结构中内部量子效率和净光学吸收；
(2)本实用新型在传统的MSM热电子光电子探测器设计上创新性地使用了双一维光子晶体，第一一维光子晶体与第一金属层Au薄膜之间、第二一维光子晶体与第二金属层Au薄膜之间均存在TPP模式，这两个TPP模式会耦合形成新的模式，称为双Tamm等离极化激元耦合模式。当器件制成后，在器件表面照射光，当入射光的波长和TPP模式共振波长相同时，入射光就被局域在器件内部被金属层吸收后产生电子，最终形成光电流；
(3)本实用新型可以调控第一一维光子晶体、第二一维光子晶体的结构参数、第一空间层薄膜和第二空间层薄膜的厚度来控制双Tamm耦合模式的波长在应用过程中可对器件的吸收率光谱和响应光谱实现较大范围的调控，获得响应波长不同下的窄带宽光电探测器；
(4)本实用新型设计第一金属层、第一半导体层和第二金属层为较薄的厚度，例如都为5nm的厚度，充分提高器件的内部量子效率；
(5)本实用新型在双Tamm耦合模式下，第一金属层Au薄膜和第二金属层Au薄膜之间高达0.95的光学净吸收，进而提高器件的光电响应度；
(6)本实用新型在双Tamm耦合模式下，能实现小于2nm的窄带宽吸收率光谱。最终第一金属层薄膜和第二金属层薄膜吸收光子产生电子数之差形成的光电流和窄带宽的光电响应曲线，实现了一种窄带光电探测器。
附图说明
图1是本实用新型所提供的窄光谱响应的热电子光电探测器的结构示意图。
图2是本实用新型所提供的窄光谱响应的热电子光电探测器在特定波长下的吸收光谱图。
图3是本实用新型所提供的窄光谱响应的热电子光电探测器在特定波长下的光电响应曲线。
上述附图中的标号说明：
1-基底，2-第一一维光子晶体，3-第一空间层薄膜，4-第一金属层薄膜，5-第一半导体层薄膜，6-第二金属层薄膜，7-第二空间层薄膜，8-第二一维光子晶体，41-第一电极，61-第二电极。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。
技术术语说明：
TiO2为二氧化钛；SiO2为二氧化硅；Au为金；ZnO为氧化锌；TPP(Tamm PlasmonPolaritons)为塔姆等离极化激元。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种窄光谱响应的热电子光电探测器，包括：基底1，第一一维光子晶体2，第一空间层薄膜3，第一金属层薄膜4，第一半导体层薄膜5，第二金属层薄膜6，第二空间层薄膜7，第二一维光子晶体8，所述第一金属层薄膜4和第二金属层薄膜6上设有分别设有第一电极41和第二电极61。
在实施方式中，所述第一一维光子晶体2为SiO2和TiO2周期性排列而成，所述第二一维光子晶体8由TiO2和SiO2周期性排列而成，如图1所示。第一一维光子晶体2可以是10至20个周期，第二一维光子晶体8的周期可以是10至20个周期，周期的厚度为165.2nm至275.3nm，所述每个周期包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层TiO2薄膜的厚度为62.5nm至104.1nm，所述一层SiO2薄膜的厚度为102.7nm至171.2nm。两个一维光子晶体具有不同的禁带中心波长，主要通过使用不同厚度的TiO2层和SiO2层实现。通过改变第一一维光子晶体2、第二一维光子晶体8的禁带中心波长的位置、第一空间层薄膜3的厚度和第二空间层薄膜7的厚度，即可控制双Tamm耦合模式的波长，进而实现对器件窄带宽的吸收率光谱和窄带宽的光电响应度的调控。上述叠层一维光子晶体可以采用磁控溅射或者电子束蒸发等方法制备。
依据上述理论设计和薄膜制备的工艺条件，制备相应器件。针对要研制的多层平面器件，将设计并加工一套三层掩膜板，配合底座，使衬底与掩膜之间精确对准，实现图案化制备，主要包括四个步骤，上述窄带宽光电探测器可由如下初步制备过程实现：
1.在基底1上制备第一一维光子晶体2，第一空间层薄膜3和第一金属层薄膜4。所述第一一维光子晶体2和第一空间层薄膜3以磁控溅射的工艺制备；第一金属层薄膜4以真空热蒸发的工艺制备。
2.加上掩膜一，在第一金属层薄膜4上制作制备第一半导体层薄膜5和第二金属层薄膜6。所述第一半导体层5薄膜以磁控溅射的工艺制备；第二金属层薄膜6以真空热蒸发的工艺制备。
3.加上掩膜二，在第一金属层薄膜4和第二金属层薄膜6上分别制备第一电极41和第二电极61。
4.加上掩膜三，在第二金属层薄膜6上制作第二空间层薄膜7和第二一维光子晶体8。所述第二空间层薄膜7和第二一维光子晶体8以磁控溅射的工艺制备。
窄带宽光电探测器的具体制备过程如下：
(1)将玻璃作为基底1，用去离子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，然后用氧的等离子体处理。
(2)在基底1的表面制备第一一维光子晶体2。具体如下：首先在基底1的表面制备由TiO2和SiO2两种介质周期性排列的第一一维光子晶体2，一维光子晶体的周期为10至20个周期，通过设计TiO2薄膜和SiO2薄膜的厚度，控制第一一维光子晶体2的禁带位置和通带位置，TiO2薄膜的厚度调节范围为62.5nm至104.1nm，SiO2薄膜的厚度调节范围为102.7nm至171.2nm。
(3)利用磁控溅射，在第一一维光子晶体2的表面制备TiO2薄膜，TiO2薄膜为第一空间层薄膜3，TiO2薄膜的厚度调节范围为0m至20m。
(4)利用真空热发的方法在第一空间层TiO2薄膜表面蒸镀5nm的Au薄膜，Au薄膜为第一金属层薄膜4。
(5)加上掩膜一，先利用磁控溅射在第一金属层Au薄膜4表面制备5nm的ZnO薄膜，ZnO薄膜为第一半导体层薄膜5；然后采用真空热蒸发在ZnO薄膜表面制备5nm的Au薄膜，Au薄膜为第二金属层薄膜6。
(6)加上掩膜二，利用真空热蒸发在第一金属层Au薄膜4表面制备Au电极，Au电极为第一电极41；在第二金属层Au薄膜6表面制备Au电极，Au电极为第二电极61。
(7)加上掩膜三，先利用磁控溅射在第一金属层Au薄膜表面4制备TiO2薄膜，TiO2薄膜为第二空间层7；再利用磁控溅射在第二空间层TiO2薄膜7表面上制备SiO2/TiO2两层薄膜周期性排列的第二一维光子晶体，具体如下：首先在第二空间层TiO2薄膜7表面制备由SiO2和TiO2两种介质周期性排列的第二一维光子晶体8，一维光子晶体的周期为10至20个周期，通过设计TiO2薄膜和SiO2薄膜的厚度，控制第二一维光子晶体8的禁带位置和通带位置，TiO2薄膜的厚度调节范围为62.5nm至104.1nm，SiO2薄膜的厚度调节范围为102.7nm至171.2nm。
调控第一一维光子晶体2、第二一维光子晶体8的结构参数、第一空间层薄膜3和第二空间层薄膜7的厚度来控制双Tamm耦合模式，进而调控窄带宽光电探测器吸收光谱的光谱位置，第一金属层薄膜和第二金属层薄膜吸收光子后产生的电子数之差形成光电流，获得窄带宽的光电响应和光电探测器。图2为给定Tamm耦合波长为600nm、700nm、800nm、900nm和1000nm的器件所对应的正向净吸收率光谱(正向指从第二金属层薄膜到第一金属层薄膜)。从图2可知，所有器件的正向净吸收率均大于95％，而且所有吸收峰的带宽都小于2nm。图3为给定Tamm耦合波长为600nm、700nm、800nm、900nm和1000nm的器件所对应的光电响应度。从图3可知，600nm器件的光电响应度大于0.35mA/W，而1000nm器件的光电响应度大于0.03mA/W，这得益于设计第一金属层、第一半导体层和第二金属层为较薄的厚度，有利于提高器件的内部量子效率，进而提高器件的光电响应度，与现有的MIM结构和MSM结构相比有较大的提升；而且所有光电响应度的带宽都小于2nm，这有利于应用在高波长分辨率的光电探测领域。这表明通过调节第一一维光子晶体2、第二一维光子晶体8的结构参数、第一空间层薄膜3和第二空间层薄膜7的厚度，在应用过程中可对器件的吸收率光谱和响应光谱实现较大范围的调控，同时设计第一金属层、第一半导体层和第二金属层为较薄的厚度，进而获得具有不同响应波长的高响应度窄带宽光电探测器。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，包括基底、以及自下而上依次固定设置在基底上的第一一维光子晶体、第一空间层薄膜、第一金属层薄膜、第一半导体层薄膜、第二金属层薄膜、第二空间层薄膜和第二一维光子晶体；所述的第一金属层薄膜和第二金属层薄膜上设有分别固定设有第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一一维光子晶体和第二一维光子晶体均由薄膜介质周期性排列而成。
3.根据权利要求2所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一一维光子晶体的薄膜介质为TiO2和SiO2，所述第二一维光子晶体的薄膜介质为SiO2和TiO2。
4.根据权利要求2所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一一维光子晶体的周期性排列为10至20个周期，该周期包括一层TiO2薄膜及一层SiO2薄膜，周期的厚度为165.2nm至275.3nm；所述第二一维光子晶体的周期性排列为5至10个周期，该周期包括一层SiO2薄膜及一层TiO2薄膜，所述周期的厚度为165.2nm至275.3nm。
5.根据权利要求4所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一一维光子晶体包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层SiO2薄膜的厚度为102.7nm至171.2nm，所述一层TiO2薄膜的厚度为62.5nm至104.1nm；所述第二一维光子晶体包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层SiO2薄膜的厚度为102.7nm至171.2nm，所述一层TiO2薄膜的厚度为62.5nm至104.1nm。
6.根据权利要求1所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一空间层为TiO2薄膜，厚度为0至20nm；所述第二空间层为TiO2薄膜，厚度为0至20nm。
7.根据权利要求1所述的窄光谱响应的热电子光电探测器，其特征在于，所述第一金属层为Au薄膜，厚度为5nm；所述第一半导体层为ZnO薄膜，厚度为5nm；所述第二金属层为Au薄膜，厚度为5nm。
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