CN217544629U

CN217544629U - 一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器

Info

Publication number: CN217544629U
Application number: CN202221545679.9U
Authority: CN
Inventors: 黄亮杰; 张程; 龚靖轩; 张文; 陈阳; 朱鹏; 李孝峰; 朱忻
Original assignee: Suzhou Juzhen Photoelectric Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou Juzhen Photoelectric Co ltd; Suzhou University
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2032-06-20

Abstract

本实用新型涉及光电传感技术领域，为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，公开了一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含底部导电电极、金属光栅和顶部导电电极；金属光栅和底部导电电极之间有一层钛薄膜作为粘附层；金属光栅连接到顶部导电电极；硅背面设有底部导电电极；通过将金属光栅完全嵌入硅基底的方式进一步地提高了金属的光吸收效率和热电子产生率，其中光吸收率能达到接近100%，减少了热电子的热化损失，进而提升了光电探测器的响应度；调节金属光栅周期可改变探测器的响应波长，实现了波长可调的近红外光电探测器。

Description

一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器

技术领域

本实用新型涉及光电传感技术领域，具体涉及一种基窄带近红外热电子光电探测器。

背景技术

近年来，近红外光电探测一直是人们重点关注的研究方向。近红外光电探测器一般具有灵敏度高、空间分辨率好、动态范围大、抗干扰能力强以及能在恶劣环境下昼夜工作等特点，因此红外光电探测器在侦察、夜视、制导和热成像等领域应用广泛。红外光电探测器的广泛的应用，让人们对高性能的光电探测器的需求越来越大。基于肖特基结的热电子光电探测器相较于传统的光电探测器，由于可以突破半导体禁带的限制，将能量低于半导体带隙的光子转换为电能，可以实现室温运行、零偏压和低于半导体带隙的红外光电探测。然而，由于热电子的光致发射过程效率比较低，热电子光电探测器的响应度有待提高。发展新型的光电转换技术和开发新型光电探测器是提高社会生产水平和国家科技水平的迫切需要。

2012年，Ali Sobhani等人首次报告了一种基于金属光栅结构的肖特基光电探测器，相比于早期的基于纳米天线的光电探测器响应度大幅度增加，实现了通过改变光栅周期实现对波长的调控。2013 年，Knight 等人制备了一种嵌入式的金硅肖特基结光电探测器，增大了肖特基接触面的面积，减少了热电子在传输过程中的损耗。2014年Wei Li等人提出了一种基于金属超材料完美吸收体的宽带热电子光电探测器，实现了全方向、偏振不敏感和较高的光电响应特性。同年11月，Sencer Ayas等人采用连续X射线和激光激发非接触X射线的光电子能谱技术研究了等离子体MIM结构中的热电子效应。估算了在445nm光照下，宽面积等离子体MIM表面的响应度为500 nA/W。 2015年，Desiatov等人利用 KOH 湿法刻蚀工艺将硅片腐蚀成金字塔形状，并在金字塔顶端覆盖超薄铝膜，制备了一种铝/硅肖特基结近红外光电探测器。硅金字塔阵列大范围地收集光，并将光汇聚在金字塔顶端极小的有源像素区，在0.1 V偏压下，1064、1300、1550 nm 的响应度分别达到了5、12、30 mA/W。该结构响应度的提升不仅是因为金字塔结构的陷光作用提高了外量子效率，而且因为金字塔顶端的铝纳米尖端的表面等离激元效应缓解了热电子注入过程的动量失配问题，使热电子有更大的概率从铝注入到相邻的硅材料中，提高了内量子效率。同年，吴凯等人设计了金属-半导体-金属（MSM）光栅结构的等离子体热电子光电检测系统。他们利用了无掺杂带宽隙的半导体代替绝缘体，这样有利于电子的传输和收集。在未施加外部偏压的情况下，器件的光响应度可达到0.021 mA/W。此外，基于共形光栅结构的热电子光电探测器具有高度的波长可调谐性。2017年，Lang Shen等人报告了基于金属-三氧化二铝-石墨烯（MIM）异质结构的光电探测器，其为提高光电响应，底部的金电极被制成间距为500nm的光栅结构。同年，暨南大学的陈沁等人发现两种不同方向的光照模式对器件内量子效率具有影响，在硅上集成等离激元吸收体是一种金膜覆盖的硅纳米孔洞 (Si nanoholes，SiNHs) 结构，当1100~1900 nm波段的近红外光从背面(无金膜覆盖面)入射时，器件的反射率均低于5%，保证了近红外通信波段的高外量子效率。目前，各国都在大力推进二类超晶格等新材料红外探测器的研发和验证，从激光探测、低成本高清晰昼夜成像等出发，再认识和发展InGaAs红外探测器。美、英、法、德、以色列等西方国家已建立起以蹄镉汞、锑化铟材料为主的先进设计制造平台，以蹄镉汞、锑化铟材料为主二代红外探测器批量装备应用。以超大面阵、双色、数字化、低成本为特征的三代红外探测器日渐成熟，正在大力推进工程应用。以VO_x、α-Si为主的非制冷红外焦平面器件在民用及低成本领域大量应用。

然而，现在大多数相关的研究都基本还是基于传统的光栅结构。使用嵌入式光栅结构，很有可能实现器件更高的光响应度和光电转换效率。为了设计出更加有效的热电子光电探测器，需要对各种问题进行研究，包括光栅是否对称、金属嵌入的深度、光栅周期大小、金属宽度、金属厚度对金属吸收率、共振波长位置、热电子产生和吸收效率的影响等。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的光电探测器响应度不高的问题，本实用新型提供一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用如下技术方案：

一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含底部导电电极、钛薄膜、硅基底，金属光栅、顶部导电电极；所述硅基底的底部连接底部导电电极，所述硅基底的顶部为向内凹陷的光栅槽，光栅槽中依次填充钛薄膜、金属光栅；所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅。

上述方案中金属光栅位于最上层，底部导电电极为最下层，且此处的“上、下”仅为各个部件之间位置关系的描述，并不限定整体结构的状态。

上述方案的工作原理以及实现的效果：本实用新型的一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用金属材料作为吸光层，通过将光栅嵌入硅基底进一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，提高了热电子转移到硅中的收集效率。通过改变金属光栅周期可调节探测器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。

进一步地，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。

优选金属材料可以为金、银和铜中的一种，且所述金属光栅厚度为50~150 nm。

进一步地，所属金属光栅宽度为280-360nm。

进一步地，所述位于硅基底上层的钛薄膜层厚度为1~5 nm。

进一步地，所述硅基底背面的底部导电电极材质为铝，铟中的一种。

进一步地，所述金属光栅的光栅周期为400±50nm。

附图说明

图1：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器结构前视图；

图2：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属宽度下的光学吸收率对比图；

图3：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属宽度下的光学吸收率面图；

图4：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属厚度下的光学吸收率面图；

图5：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在不同金属嵌入深度下的光学吸收率面图；

图6：完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器响应度曲线图；

图中：1为硅基底，2为钛超薄膜，3为金属光栅，4为顶部导电电极，5为底部导电电极。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含底部导电电极5、钛薄膜2、硅基底1，金属光栅3、顶部导电电极4；所述硅基底的底部连接底部导电电极，所述硅基底的顶部为向内凹陷的光栅槽，光栅槽中依次填充钛薄膜、金属光栅；所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅。

实施例二

一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅基底和金光属栅；

具体地，所述金属光栅和硅基底之间有一层钛薄膜作为粘附层；

具体地，钛薄膜层和金属光栅依次设于硅基底上；

所述金属光栅嵌入到硅基底中，嵌入深度为金属光栅的高度。

具体地，底部导电电极连接于硅基底膜下方。

金属光栅用于吸收光子并产生热电子，金属光栅连接到金属平板上，作为顶部导电电极，位于硅基底背面设有底部导电电极；

金属光栅和硅基底组成的结构能够激发表面等离子光学共振，进而将电场局域在金属光栅与硅基底组成的肖特基界面处，显著地提高了金属光栅对光子的吸收率的同时，减少了金属厚度。

在本实用新型的一些实施例中，通过调节金属光栅周期改变光电探测器的响应波长，以实现器件的可调谐性。

图2显示了在周期400nm，金属厚度100nm，金属嵌入深度100nm时，不同的金属宽度下基于嵌入式金属光栅结构的热电子光电探测器的吸收率面图。即在金属宽度为200~360nm的范围内，表面等离子共振波长有明显随着金属宽度的增加而产生的红移现象，表面等离子波长从1450nm红移至1500nm，且当金属宽度在300~350nm时，其吸收率峰值均超过了95%。

如图3所示，在周期400nm，金属宽度320nm，金属厚度100nm是，不同的金属嵌入深度下基于嵌入式硅金属光栅结构的热电子光电探测器的吸收率面图。即在金属嵌入深度为0~150nm时，共振波长有红移现象，从1400nm逐渐红移至1550nm，且吸收率也从最开始的10%提升至95%；但当金属嵌入深度为150~2000nm时，共振波长不再发生改变，且吸收率达到饱和，不再增长，且当金属厚度在100-2000nm时，吸收率峰值约为95%。

如图4所示，在周期400nm，金属宽度320nm，嵌入深度为金属厚度，不同金属厚度下基于嵌入式硅金属光栅结构的热电子光电探测器的吸收率面图。即在金属厚度为50~150nm时，共振波长从1400nm红移至1750nm，且在金属厚度在95~115nm时，吸收率峰值约为95%

本方案的基于刚好完全嵌入式金属光栅结构的热电子光电探测器，通过嵌入式光栅进一步地提高了金属光栅的光吸收效率、热电子产生率，其中光吸收率接近100%。

图5为基于嵌入式硅金属光栅结构的光吸收谱。结果表明对基于嵌入式金属光栅结构，在周期为350nm，金属光栅宽度为280nm，金属光栅厚度在90nm，光栅嵌入深度为90nm时，共振波长在1350nm，金属光栅的吸收率很高（95%）；在周期为400nm，金属光栅宽度为320nm，金属光栅厚度在100nm，光栅嵌入深度为100nm时，共振波长在1500nm，金属光栅的吸收率很高（95%）；在周期为450nm，金属光栅宽度为360nm，金属光栅厚度在110nm，光栅嵌入深度为110nm时，共振波长在1650nm，金属光栅的吸收率很高（75%）；这表明基于嵌入式的光栅提高了金属光栅的光吸收效率和热电子产生率，并且通过调节金属光栅的周期等一系列参数，改变了探测器件的响应波长，实现了器件的可调性。

如图6所示，在周期350nm，金属宽度280nm，金属厚度90nm，嵌入深度90nm；周期400nm，金属宽度320nm，金属厚度100nm，嵌入深度100nm；周期450nm，金属宽度360nm，金属厚度110nm，嵌入深度110nm时，基于刚好完全嵌入式金属光栅结构的热电子光电探测器响应度谱。得益于增强的光吸收，基于刚好完全嵌入式金属光栅结构的热电子光电探测器响应度很高。

本实用新型相比于《一种基于嵌入式光栅的窄带红外热电子光电探测器》（专利号ZL201910931220.9），拥有更高的吸收，且刚好金属厚度与嵌入深度相同。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于：包含底部导电电极、钛薄膜、硅基底，金属光栅、顶部导电电极；所述硅基底的底部连接底部导电电极，所述硅基底的顶部为向内凹陷的光栅槽，光栅槽中依次填充为钛薄膜、金属光栅；所述的顶部导电电极与金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接硅基底和金属光栅。

2.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物。

3.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述硅基底背面的底部导电电极材质为铝、铟中的一种；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜、铝。

4.根据权利要求1所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅厚度为50-150nm。

5.根据权利要求4所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅完全嵌入硅基底。

6.根据权利要求5所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述的钛薄膜层厚度为1~5 nm。

7.根据权利要求5或6所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述的金属光栅置于底部导电电极上方。

8.根据权利要求1至6之一所述的完全嵌入式光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅的光栅周期为400-450nm。