CN110429144A - 一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，包含二氧化硅基底、布拉格反射器和金属薄膜；布拉格反射器和金属薄膜依次设于二氧化硅基底上；布拉格反射器由高折射率薄膜层和低折射率薄膜层由上至下交替设置而成，布拉格反射器与金属薄膜的接触面为高折射率薄膜层且设置为二氧化钛；金属薄膜的顶部设有顶部导电电极，位于顶层的高折射率薄膜层的底部设有栅状底部导电电极。提高了光子吸收率、热电子的输运效率和光电探测器的响应度；并能够通过与金属薄膜相邻的二氧化钛的厚度调节可改变探测器的响应波长和实现多窄带的光电探测；且本发明结构简单，便于生产。
Description
技术领域
本发明涉及光电传感技术领域，具体涉及一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器。
背景技术
基于PN结（或PIN结、或异质结）的光电探测器利用形成的内建电场收集半导体层受光激发而产生的光生载流子。然而，选定的半导体对能量低于其带隙的电磁波段是透明的，所以利用该半导体构筑的探测器无法实现对能量低于其带隙的波段探测。不同于基于半导体光吸收的光电器件，热电子光电探测器可以突破半导体带隙限制，金属薄膜光吸收产生的热电子（空穴）可通过界面电荷转移直接进入半导体导带（价带）而产生宏观电流。在典型的半导体材料中，二氧化钛由于环保、廉价、耐光降解在基于半导体光响应的紫外光电探测***中获得了广泛应用。
然而，二氧化钛的宽带隙属性（3.2 eV）从本质上限制了它在可见和近红外波段的应用。利用金属和半导体接触，金属吸收光子后产生热电子，然后克服肖特基势垒转移到半导体中，可实现在可见到近红外波段的光电探测。
然而，由于缺少有效的光电管理策略，目前的热电子器件的光电响应度相当低。提高热电子器件性能的一般方法为对金属薄膜进行纳米结构化设计，通过激发表面等离子共振提升金属薄膜的光吸收效率、热电子产生率和光电探测器的响应度。如（申请号：201610617154.4）《一种偏振敏感型光电探测器》中通过金属纳米结构激发表面等离子共振，使得光电探测器对不同偏振的入射光响应不同，从而实现对入射光偏振性的检测。如（申请号：201610291282.4）《一种基于硅纳米线阵列的自驱动肖特基结近红外光电探测器及其制备方法》中通过在硅纳米线表面包覆一层金属铜膜提高铜的光吸收和热电子光电探测器的响应度。
然而，通过利用金属微纳结构激发表面等离子共振虽然可以提高热电子产生率，但这些设计的特定微纳结构均为亚波长尺寸，对纳米加工技术要求高，成本昂贵，不利于大面积批量制备。
发明内容
为解决现有技术中存在的基于金属光吸收的光电探测器的响应度不高的问题，本发明提供一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，采用如下技术方案：
一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，包含二氧化硅基底、布拉格反射器和金属薄膜；
所述布拉格反射器和所述金属薄膜依次设于所述二氧化硅基底上；
所述布拉格反射器包含多对高折射率薄膜层和低折射率薄膜层，所述高折射率薄膜层和所述低折射率薄膜层由上至下交替设置，所述布拉格反射器顶层为高折射率薄膜层，且该层的材料为二氧化钛；
所述金属薄膜的顶部一侧设有顶部导电电极，位于所述布拉格反射器顶层的所述高折射率薄膜层的底部设有栅状底部导电电极。
上述方案中金属薄膜位于最上层，二氧化硅基底为最下层，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：本发明的一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，采用金属材料作为吸光层，金属薄膜吸收光子后产生高能量的热电子，热电子越过金属薄膜和相邻的二氧化钛形成的肖特基结进入二氧化钛导带中被收集，产生电流响应。利用金属薄膜和布拉格反射器激发的塔姆等离子光学共振，将电场局域在金属薄膜与布拉格反射器的界面处，大大地提高了金属薄膜对光子的吸收率，改变与金属薄膜接触的二氧化钛厚度可调节探测器的响应波长和实现多窄带的光电探测。此外由于采用本技术方案避免了传统红外光电探测器普遍使用复杂结构金属纳米结构，导致器件制备困难，成本居高不下的问题。
进一步地，所述金属薄膜为金、银、钛、铂、锡、钯、镍或铬中的一种或其金属氮化物，且所述金属薄膜厚度为5~100 nm。金属薄膜厚度为5~100 nm，这与热电子的平均自由程相当。此处的“相当”是指金属薄膜厚度和热电子的平均自由程为同一个数量级，金属薄膜厚度和热电子的平均自由程比值不超过10倍，极大提高了热电子的输运效率和光电探测器的响应度。
进一步地，所述高折射率薄膜层和所述低折射率薄膜层的对数为3~20。
进一步地，所述布拉格反射器顶部的所述高折射率薄膜层的厚度为10~2000 nm。
进一步地，所述高折射率薄膜层替换为：氧化锌、氮化硅、硫化锌、氧化铟锡、氧化钨中的一种。
进一步地，所述低折射率薄膜层为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中底部导电电极的结构示意图；
图3为本发明实施例与未引入布拉格反射器的光电探测器在非偏振光入射下的光学响应对比图；
图4为本发明实施例与未引入布拉格反射器的金/二氧化钛的平面光电探测器的电化学响应对比图
图5为本发明实施例中与金属薄膜层相邻的二氧化钛薄膜厚度为1900 nm时的光吸收率和电学响应度示意图；
图6为本发明实施例在不同射入角度时的横磁波（TM，电场方面垂直入射面）与横电波（TE，电场方面在入射面内）的电学响应示意图。
图中：1—二氧化硅基底、2—布拉格反射器、3—金属薄膜、4—顶部导电电极、5—底部导电电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1-2所示，一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，包含二氧化硅基底1、布拉格反射器2和金属薄膜3；
具体地，布拉格反射器2和金属薄膜3依次设于二氧化硅基底1上；
布拉格反射器2包含多对高折射率薄膜层和低折射率薄膜层，高折射率薄膜层和低折射率薄膜层由上至下交替设置，且布拉格反射器2与金属薄膜3的接触面为高折射率薄膜层；
所述布拉格反射器顶层为高折射率薄膜层，且该层的材料为二氧化钛；
二氧化硅基底1上分别通过磁控溅射的方法设置低折射率薄膜层和高折射率薄膜层的多层薄膜结构；
金属薄膜3用于吸收光子并产生热电子，金属薄膜3的顶部一侧设有顶部导电电极4，位于布拉格反射器2顶层的高折射率薄膜层的底部设有栅状底部导电电极5；
金属薄膜3和布拉格反射器2能够共同作用激发塔姆等离子光学共振，进而将电场局域在金属薄膜3与布拉格反射器2的界面处，大大提高了金属薄膜3对光子的吸收率。
优选地，金属薄膜3为金、银、钛、铂、锡、钯、镍或铬中的一种，且金属薄膜3厚度为5~100 nm，可通过调节与金属相邻的半导体层厚度改变光电探测器的响应波长。
可选地，金属薄膜3为钛、铂、锡、钯、镍、铬中的一种或其金属氮化物。
在本发明的一些实施例中，高折射率薄膜层和低折射率薄膜层的对数为3~20，通过调节与金属相邻的二氧化钛层厚度改变光电探测器的响应波长，使用方便灵活。
在本发明的另一些实施例中，布拉格反射器2顶部的高折射率薄膜层的厚度为10~2000 nm，使用时可根据具体需求调节该层高折射率薄膜层的厚度，以实现多窄带的光电探测。
在本发明的一个实施例中，高折射率薄膜层为氧化锌、氮化硅、硫化锌或二氧化钛。
在本发明的另一个实施例中，低折射率薄膜层为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
优选地，与顶部金属相邻的二氧化钛可以采用氧化锌、氧化钛、氧化铟锡、氧化钨。
基于严格耦合波分析，如图3所示，其显示了由厚度为30nm的金属薄膜3、高折射率薄膜层和低折射率薄膜层对数为9的布拉格反射器2和二氧化硅基底1构成的光电探测器在非偏振光入射下的光学响应，此处非偏振光的含义为在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均来说任一方向上具有相同的振幅。光电探测器对890~900 nm波段的光吸收为90%左右，被金属薄膜3吸收的光子转变为热电子，越过金属薄膜3和高折射率薄膜层的界面势垒注入到高折射率薄膜层中，最终被底部导电电极5收集而产生可观测的电流。
如图4所示，该图为本设计的窄带光电探测器响应度，其计算值可达到0.75 mA/W，与未引入布拉格反射器2的光响应度值相比提高了35倍。
如图5所示，该图显示了与金属薄膜3相邻的高折射率薄膜层的厚度为1900 nm时，在800~1000 nm范围内存在三个光吸收峰值，实现了多窄带的光电探测。
如图6所示，该图显示了当入射角度变化时，光电探测器工作波长随入射角增加发生蓝移，其响应度相比0度入射时略有增加。
本发明的一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，采用金属材料作为吸光层，利用金属薄膜和布拉格反射器激发的塔姆等离子光学共振，将电场局域在金属薄膜与布拉格反射器的界面处，大大地提高了金属薄膜对光子的吸收率；采用厚度与热电子平均自由程相当的金属薄膜，极大提高了热电子的输运效率和光电探测器的响应度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于，包含二氧化硅基底、布拉格反射器和金属薄膜；
所述布拉格反射器和所述金属薄膜依次设于所述二氧化硅基底上；
所述布拉格反射器包含多对高折射率薄膜层和低折射率薄膜层，所述高折射率薄膜层和所述低折射率薄膜层由上至下交替设置，所述布拉格反射器顶层为高折射率薄膜层，且该层的材料为二氧化钛；
所述金属薄膜的顶部一侧设有顶部导电电极，位于所述布拉格反射器顶层的所述高折射率薄膜层的底部设有栅状底部导电电极。
2.根据权利要求1所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于，所述金属薄膜为金、银、钛、铂、锡、钯、镍、铬中的一种或其金属氮化物。
3.根据权利要求2所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于，所述金属薄膜厚度为5～100nm。
4.根据权利要求1所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于：所述高折射率薄膜层和所述低折射率薄膜层的对数为3～20。
5.根据权利要求1所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于，所述布拉格反射器顶部的所述高折射率薄膜层的厚度为10～2000nm。
6.根据权利要求1所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于，所述高折射率薄膜层替换为：氧化锌、氮化硅、硫化锌、氧化铟锡、氧化钨中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于塔姆等离子的平面近红外光电探测器，其特征在于：所述低折射率薄膜层为二氧化硅、氧化铝或氟化镁。
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