CN217544630U - 一种基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器 - Google Patents

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，公开了一种基于超薄硅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、硅超薄膜、金属光栅和顶部导电电极；金属光栅和硅超薄膜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；铝作为底部导电电极；通过金属底部导电电极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，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；调节金属光栅宽度、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

一种基于超薄硅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

热电子的激发方式，一般分为光致直接激发和表面等离激元诱导激发两种方式。光致直接激发是指在平面金属中，电子吸收入射光的能量，从基态跃迁到更高的能级从而转化为热电子。然而，由于平面金属反射透射率较高，会造成大多数热电子的散失。而表面等离激元方式是自由电子发生集体振荡，电磁场的能量转变为金属表面自由电子的集体振动能，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，即产生表面等离激元，从而诱导激发热电子。由于表面等离激元的电磁场局域在一定的空间范围内，光的能量密度和局域电场强度都得到了极大的加强，因此基于激发表面等离激元的各个应用领域得以飞速发展。在制备光电探测器所用到的金属纳米结构中，不管是用光致直接激发的方法，还是在金属中的电子与入射电磁波发生共振而激发表面等离激元的方法，虽然能有效的增加热电子的产生与传输效率，一定程度上提高光电探测器对光的吸收率，但如何进一步地提高光电探测器的光响应度一直是很大的难题。

近年来，随着对光电探测器的研究越来越深入，如《硅基锗ＰＩＮ光电探测器的研究进展》，提到硅基光电子学将光电子技术与成熟的硅微电子技术相融合，可以充分发挥光子技术的高速、高带宽、低能耗、多维复用等优点和微电子技术在高速数据处理方面的优势，在光通信、光互连、光传感等领域具有广阔的应用前景。同样的，如《三层光栅结构超薄非晶硅太阳能电池宽带吸收的增强》发现光栅结构能够使光充分透射到硅吸收层中，还能增大散射，产生等离子共振，从而增大了对光的捕获能力。然而，前者的硅基光电探测器由于材料带隙的关系，对某些波段的光的探测能力有限，后者光栅结构的制备难度及成本都较高，且其光响应度水平也难以达到较高水准。

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基于超薄硅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：

一种基于超薄硅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、硅超薄膜、钛薄膜、金属光栅、顶部导电电极；所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅超薄膜上；所述底部导电电极连接于硅超薄膜下方，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超薄膜和金属光栅，钛薄膜仅沉积于金属光栅顶部，并与金属光栅共形。

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：本实用新型的一种基于超薄硅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，通过基于超薄硅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。通过改变金属光栅宽度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50~200 nm。

进一步地，所述位于硅超薄膜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。

进一步地，所属金属光栅宽度为130~160nm。

进一步地，所述金属光栅的光栅周期为300~1500nm。

调节金属光栅宽度、周期可改变探测器的响应波长，实现波长可调的近红外光电探测器。

附图说明

图1：基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器结构三维示意图；

图2：基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器在横磁平面波入射下的光吸收反射图；

图3：基于超薄硅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4：基于超薄硅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5：基于超薄硅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6：基于超薄硅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为底部导电电极，2为硅超薄膜，3为金属光栅，4为钛薄膜层，5为顶部导电电极。

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，一种基于超薄硅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1、硅超薄膜2、金属光栅3、钛薄膜层4、顶部导电电极5；所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅超薄膜上；所述底部导电电极连接于硅超薄膜下方，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超薄膜和金属光栅，钛薄膜仅沉积于金属光栅顶部，并与金属光栅共形。

实施例二

一种基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包含硅超薄膜和金光属栅；

具体地，所述金属光栅和硅超薄膜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超薄膜上；

具体地，底部导电电极连接于硅超薄膜下方。

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，位于硅超薄膜背面设有底部导电电极；

金属光栅和底部电极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超薄膜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，通过调节金属光栅宽度改变光电探测器的响应波长，以实现器件的可调谐性。

图2为基于超薄硅金属光栅结构的光吸收反射谱。结果表明对基于超薄硅金属光栅结构，在周期为350nm，金属光栅宽度为140nm，硅超薄膜厚度为200nm，金属光栅厚度在60nm时，共振波长在1395nm，金属光栅的吸收率很高（67%），这表明基于超薄硅的光栅提高了金属光栅的光吸收效率和热电子产生率。

图3显示了在周期350nm，硅超薄膜200nm，金属厚度60nm时，不同的金属宽度下基于超薄硅金属光栅结构的热电子光电探测器的吸收谱线对比图。对基于超薄硅金属光栅结构的热电子光电探测器，金属厚度为130~160nm的吸收率峰值均高于60%。得益于增强的光吸收和金光栅侧面与硅形成的肖特基结，当金属宽度为130 nm，表面等离子共振波长为1370 nm。当金属宽度为140 nm，表面等离子共振波长红移到1395 nm，继续增大金属宽度到150 nm和160nm，表面等离子共振波长红移到1415 nm和1435nm。这表明在一定范围内调节金属光栅宽度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。

如图4所示，在周期350nm，硅超薄膜200nm，金属厚度60nm时，不同的金属宽度下基于超薄硅金属光栅结构的热电子光电探测器的吸收率面图。即在金属宽度为50~300nm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，且当金属宽度在110~200nm时，其吸收率峰值均超过了50%。这更严谨地表明在一定范围内调节金属光栅宽度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。

如图5所示，在周期350nm，硅超薄膜200nm，金属宽度140nm时，不同的金属厚度下基于超薄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20~60nm时，共振波长有小范围的红移现象，从1450nm逐渐红移至1400nm，且吸收率也从最开始的15%提升至67%；但当金属厚度为60~200nm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60~200nm时，吸收率峰值约为65%。

如图6所示，在周期350nm，金属宽度140nm，硅超薄膜厚度200nm，金属厚度为60nm时，基于超薄硅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，基于超薄硅金属光栅结构的热电子光电探测器响应度很高。

本方案的基于超薄硅金属光栅结构的热电子光电探测器，通过基于超薄硅进一步地提高了金属光栅的光吸收效率、热电子产生率。

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 (8)

1.一种基于超薄硅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、硅超薄膜、钛薄膜、金属光栅、顶部导电电极；所述钛薄膜和金属光栅依次设于所述硅超薄膜上；所述底部导电电极连接于硅超薄膜下方，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超薄膜和金属光栅，钛薄膜仅沉积于金属光栅顶部，并与金属光栅共形。

2.根据权利要求1所述的基于超薄硅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所述的基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述硅超薄膜背面的底部导电电极材质为铝；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜。

4.根据权利要求1所述的基于超薄硅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50~200 nm。

5.根据权利要求4所述的基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅不嵌入硅超薄膜。

6.根据权利要求5所述的基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述的钛薄膜厚度为1~5 nm。

7.根据权利要求5或6所述的基于超薄硅光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述的金属光栅和硅超薄膜置于底部导电电极上方。

8.根据权利要求1至6之一所述的基于超薄硅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300~1500nm。

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