CN114051658A - 超表面光检测器 - Google Patents

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Abstract

一种光检测器包括基板(5)，以及由基板(5)支持的被配置为充当光学谐振器并吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造(6)。构造(6)包括：面向入射辐射的谐振前侧结构(4)；背侧结构(1)，并且布置在前侧结构(4)和基板(5)之间；以及活性材料(3)的层，由半导体材料制成的并且被配置为将频带的入射辐射的至少一部分转换为电荷载流子。前侧结构(4)和背侧结构(1)中的至少一个由导电材料制成。前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个与活性材料(3)接触。构造(6)被配置为选择性地吸收频带的入射辐射。与活性材料(3)接触的前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个通过电触点(7)接触以感测活性材料(3)中的电荷载流子。活性材料(3)包括非晶或多晶材料。

Description

超表面光检测器
技术领域
本发明涉及一种用于检测频带的辐射，特别是红外辐射的光检测器。此外，它涉及基于红外线的气体传感器。
背景技术
基于晶体材料的光检测器是当今最高效的红外(IR)光检测器之一。光检测器可以用于量化频带中的入射辐射量，特别是它可以用于检测特定频率或波长的红外辐射，例如，用于检测和量化CO2，其在周围气体中在4.3μm的波长下具有吸收最大值。光检测器的工作原理可以理解如下：如果入射辐射的光子的能量与活性材料的特性，例如半导体材料的带隙相匹配，那么光子在活性材料即半导体材料中被转换成电荷载流子，例如电子和空穴。然后可以通过电接触活性材料，特别是通过测量接触活性材料的电极之间的电压或电流来感测电荷载流子。这种工作原理已应用于使用单晶材料作为活性材料的常规光检测器。
US 8,698,207展示了一种光检测器，其包括直接在反射层的至少一部分上形成并用光束照亮的半导体层的至少一部分、在与反射层部分相对的半导体层部分上形成的至少一个焊盘，其中焊盘和反射层部分由金属或负介电常数材料制成，所述至少一个反射层部分和所述至少一个焊盘之间形成的光腔的厚度严格小于光束波长与半导体层的光学指数的比率的四分之一，并且通常代表所述比率的大约十分之一。
常规光检测器的主要缺点是制造高质量单晶材料所需的复杂技术，例如，通过分子束外延。低质量的材料会遭受高复合损失，特别是在晶界处，这会导致光检测器质量差。
因此，本发明的一个目的是提供一种允许使用较低质量的材料同时维持高检测质量的光检测器，以减少制造工作并因此使更易获得高质量光检测器。
发明内容
该目的通过根据本发明的一个方面的光检测器实现。该光检测器包括基板，以及由基板支持的被配置为充当光学谐振器，即吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造。该构造包括面向入射辐射的前侧结构。前侧结构包括以周期性图案布置的前侧元件。在此上下文中，周期性定义为至少两个相同形状和相同朝向的元件的存在，而不管是否互连。但是，优选的是，前侧元件的数量远远超过两个，并且优选地超过50个。
前侧结构是谐振前侧结构，使得仅限定频带的辐射在前侧结构中光学谐振。谐振尤其是由前侧元件引起的。为此，前侧结构也称为前侧谐振器。前侧结构的谐振特性与谐振器的其余部分结合优选地导致仅吸收限定频带的入射辐射，而不是吸收频带外部的入射辐射。频带可以包括单个波长或波长范围。
背侧结构布置在前侧结构与基板之间。背侧结构用作光学元件，其与前侧结构结合有助于该构造的光学谐振特性。优选地，背侧结构被布置和配置为使谐振器的输入阻抗与周围介质的输入阻抗匹配以实现最佳光耦合。在一个实施例中，背侧结构可以包括或由连续背板表示。在不同的实施例中，背侧结构包括以周期性图案布置的背侧元件。对于后一个实施例，背侧结构也称为背侧谐振器。
因此，前侧结构和背侧结构(例如，与其间的介电间隔件结合)有助于光学谐振器。优选地，前侧和背侧结构被布置和配置为使频带中的吸收最大化，该吸收优选地受稍后介绍的活性材料影响。
在此上下文中，用于前侧和背侧结构的材料优选地具有足够的光密性，使得它们可以产生谐振器或反射背侧。鉴于前侧和背侧结构中的至少一个附加地用作光检测器的电触点，至少该结构由导电材料制成。在前侧和背侧结构中只有一个由导电材料制成的情况下，另一个结构优选地由介电材料制成。在另一个实施例中，前侧和背侧结构均由导电材料制成，即使前侧和背侧结构中的仅一个用于电接触光检测器。前侧结构可以例如由金制成，并且背侧结构可以例如由铝制成。
此外，提供由半导体材料制成的活性材料层以将入射辐射的至少一部分转换成电荷载流子，该过程被理解为频带的辐射的吸收。因此，与将吸收的入射辐射转换成热信号的其它构造相比，本构造将吸收的入射辐射转换成电信号。根据本发明的光检测器包括非晶或多晶材料作为活性材料。非晶或多晶材料的生产更简单且更便宜，特别是它可以通过溅射方法获得，并且不需要分子束外延。此外，与需要特定晶格匹配基板的晶体材料相比，非晶或多晶材料对底层基板的特性要求更低。因此，根据本发明的基板可以是标准半导体基板，例如CMOS处理中使用的。活性材料优选地包括锑化铟，其显示出非常适合吸收红外辐射的特性并且易于处理，因为它允许更容易获得的制造技术，诸如溅射。优选地，活性材料包括或由III-V族半导体组成，优选地是砷化镓、砷化铝、磷化铟、砷化铟镓、砷化铝铟、砷化铟、锑化镓、锑化铝，或最优选锑化铟中的一种。在不同的实施例中，活性材料包括或由II-VI族半导体组成，特别地是碲化汞或碲化镉。在另一个实施例中，活性材料包括或由石墨烯或其它2D超材料例如过渡金属二硫属化物组成。
前侧元件一方面可以有助于形成优选地对入射辐射具有过滤效果的光学谐振器。光学谐振器的特性，特别是吸收辐射的频带，取决于若干参数，诸如作为整体构造的材料、形状和维度，特别是前侧元件的形状和延伸、相邻前侧元件之间的间隙尺寸、前侧结构的厚度、包括背侧元件(如果有的话)的背侧结构的相同参数，以及活性材料的厚度。前侧元件优选地成形为十字、锯齿形元件、曲折元件、箭头、“U”形、“V”形、“S”形、“I”形、圆形、棒形、“S”、“V”、“U”、“V”、“I”形的一个/或各种互连中的一个或多个。而且，上面列出的形状中的每一个的反转可以用作前侧元件。锯齿形元件图案的优点在于，对应的前侧结构根据限定形成为易于电接触的条带。
前侧元件优选地是纳米级元件，即除了互连线长度之外其最大延伸被假定为低于10μm，优选地低于3μm。前侧元件除其厚度之外的任何延伸优选地在100nm和10μm之间的范围内，优选地在100nm和3μm之间的范围内。前侧元件不能间隔太近，优选地最大间隔不小于10nm，因为期望入射辐射的光子到达活性材料以被转换为电荷载流子。另一方面，优选地相邻前侧元件之间的最小距离不超过2μm，优选地不超过500nm，优选地不超过200nm。
在除条带之外的前侧元件形状的情况下，多个前侧元件优选地互连并形成组。优选地，在一个实施例中，前侧元件被分组成至少两组，其中一组作为阳极接触，另一组作为阴极接触。在一个示例中，前侧元件被分组成多个组。例如，在给定的(例如垂直)方向上相邻布置的元件互连成前侧元件的列组。这可能导致多列互连的前侧元件。例如，每个第二列可以通过适当的布线在图案外部互连，使得就电接触图案而言产生叉指电极。在包括前侧元件组的实施例中，相邻前侧元件之间的最小距离是属于不同组的相邻前侧元件的最小距离。
优选地，背侧结构允许光学谐振器在期望频率下与周围气体完美匹配，从而产生用于感测的高效窄带吸收器。背侧结构可以是背板，即由导电材料或介电材料堆叠制成的连续膜，并且由此用作宽带反射器。在另一个实施例中，背侧结构是可与前侧谐振器相当的背侧谐振器。这里，背侧结构可以由导电材料或介电材料制成并用作窄带反射器。在后一个实施例中，背侧结构由通过背侧间隙彼此分开并以周期性图案布置的背侧元件形成。背侧元件优选地成形为十字、锯齿形元件、曲折元件、箭头、“U”形、“V”形、“S”形、“I”形、圆形、棒形、“S”、“V”、“U”、“V”、“I”形的一个/或各种互连中的一个或多个。而且，上面列出的形状中的每一个的反转可以用作背侧元件。
特别地，背侧元件可以被分组为组，其中一组的背侧元件彼此电连接。关于背侧元件的或背侧元件之间的形状、维度、图案、间隙和距离，涉及前侧元件的公开是适用的。
在一个实施例中，背侧结构与前侧结构属于同一类型。在这个实施例中，背侧元件也可以布置为与前侧元件等同，但是，在不同的平面中。或者，在不同的实施例中，背侧元件可以布置为在不同平面中偏离前侧元件。
在一个实施例中，前侧结构与活性材料接触，前侧结构由导电材料制成，并且仅前侧结构连接到电触点以感测活性材料中的电荷载流子。
在不同的实施例中，背侧结构与活性材料接触，背侧结构由导电材料制成并包括周期性布置的背侧元件，并且仅背侧结构连接到电触点以感测活性材料中的电荷载流子。
在另一个实施例中，前侧结构和背侧结构都与活性材料接触。前侧结构和背侧结构两者都由导电材料制成，并连接到电触点以感测活性材料中的电荷载流子。
特别地，电触点包括接合丝、集成电路的金属线、集成电路的过孔、焊球、柱状凸块焊球、导电胶、导电油墨或再分布层的金属线中的一种。从入射辐射的光子转换的电荷载流子通常可以是电子和空穴。感测电荷载流子可以通过测量电触点之间的电压或电流来执行。前侧结构和/或背侧结构的所述双重用途是本发明相对于现有技术的一大优点。由于光学谐振器，所提出的光检测器充当光检测器和滤光器合二为一。通过前侧结构和/或背侧结构，具有根本不同用途的电学元件和光学元件被结合在一层中。这与具有根本不同特性的不同电气和光学部件的常规协整相比，有助于更简单地生产光检测器。
通过调整构造的参数，可以优选地调整光谐振器的特性，并且可以选择频带以调整构造的过滤效果。该构造导致入射辐射的场增强，这改善了活性材料中频带的入射辐射的吸收。这种构造，当它包括许多重复的谐振元件时，也被称为超表面。它也可以被认为是超材料完美吸收体(MPA)，其中超材料特性表示人工行为的电磁材料，它会唤起自然界中通常不可用的电磁响应，并且优选地包括由周期性前侧(并且如果适用的话，背侧)周期性表面形成的超单元(meta-cell)。
因此，前侧结构和背侧结构的特性影响构造的谐振器特性。因此，在一个实施例中，每个前侧元件和每个背侧元件的延伸(如果适用)的维度取决于要被该构造吸收的辐射频带。例如，延伸可以是在对应结构的平面中测量的元件的长度或宽度。当然，一些元件具有定义该平面中元件形状的多个维度。在这种情况下，优选地将维度/延伸之一确定为仅负责在期望频带中透射辐射的关键维度/延伸。优选地，元件的关键延伸对应于从0.01L到2.0L的范围，其中L是频带的中心波长。例如，十字元件的长度是关键延伸，并且维度在0.5L和2.0L之间，而其作为非关键维度的宽度可以在0.01L和0.5L之间。宽度被认为是非关键的，因为与其维度对应的任何波长都在光学范围之外，并且因此不再进一步考虑。每个延伸的公差优选地取决于延伸是否是关键参数而变化。例如，十字形长度等关键参数的公差与其最佳值的偏差在20％以内，而其宽度的偏差可高达500％。还可以通过使元件的延伸在平面的一个方向上与平面的维度不同，从而将不同的谐振混合在一起。
在实施例中，待吸收的入射辐射的频带以具有吸收峰的中心波长为中心，并且中心波长周围的吸收光谱的半高全宽小于0.5μm。对于CO2的检测，中心波长特别地是4.3μm。在这种情况下，每个前侧元件和每个背侧元件的延伸(如果适用)优选地被选择为大约1μm。
在另一个实施例中，待吸收的入射辐射的频带以具有吸收峰的中心波长为中心，并且中心波长周围的吸收光谱的半高全宽小于0.5μm。对于CH4的检测，中心波长特别地是3.3μm。在这种情况下，每个前侧元件和每个背侧元件的延伸(如果适用)优选地被选择为大约0.8μm。在另一个实施例中，大约3.3μm的这个吸收频带同样可以用于检测制冷剂，特别地是二氟甲烷(R32)。
该构造的其它维度优选如下：活性层材料厚度在10和50nm之间，优选地是30nm；前侧结构厚度和背侧结构厚度在50和500nm之间，优选地是100nm。电触点，即阴极和阳极，优选地彼此非常靠近布置，即在10到500nm内。因此，光生电荷载流子不需要长距离穿过活性材料。这降低了电荷载流子复合的可能性，并有助于对入射辐射进行高质量测量，即使使用非晶或多晶材料作为活性材料。这种与活性材料的紧密间隔的电接触有利地通过前侧元件或背侧元件中的一个或多个，或者特别地通过前侧元件或背侧元件的组来实现。
取决于前侧和/或背侧结构中的哪一个与活性材料电接触，提出了三种一般类型的构造：在类型I和类型II构造中，分别通过前侧结构和背侧结构，但不通过相应的其它结构建立与活性材料的电接触。在类型III构造中，活性材料经由前侧结构和背侧结构两者电接触。
对于类型I和II，该构造优选地还包括位于背侧结构和前侧结构之间的介电间隔件。特别地，介电间隔件可以包括二氧化硅。在其它实施例中，间隔件可以包括氧化铝、氮化硅、氧化锆、氧化铪、氧化钛中的一种或多种。考虑到光学谐振器，这种介电间隔件放宽了对活性材料厚度的要求。如果构造包括介电间隔件，那么可以调整介电间隔件的厚度，并且通常可以独立于构造的总厚度来选择活性材料的厚度。
在实施例中，活性材料布置在介电间隔件上方并与前侧结构接触，并且电触点接触前侧结构，特别是前侧元件的组，但不接触背侧结构(类型I)。在下文中，提出了类型I构造的两个具体实施例，其中以下维度被理解为对于十字长度、锯齿形肩部长度和周期具有20％的公差，并且对所有其它参数具有500％的公差：
实施例I.1：前侧结构形成为分割十字图案，其中跨连接线的十字长度为914nm，沿着连接线的十字长度为901nm，跨连接线的十字宽度为194nm，沿着连接线的十字宽度为264nm，周期为1858nm并且厚度为86nm。活性材料的厚度为30nm，介电间隔件的厚度为113nm，并且背侧结构是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。
实施例I.2：前侧结构形成为锯齿形元件图案，其中相邻锯齿形元件之间的间隙为150nm，锯齿形肩角为90°，锯齿形肩长为1756nm，锯齿形元件的宽度为803nm，并且厚度为97nm。活性材料的厚度为30nm，介电间隔件的厚度为41nm，并且背侧结构是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。
当使用锑化铟作为活性材料、金用于前侧结构、铝用于背侧结构并且二氧化硅用于介电间隔件时，调整两个具体实施例I.1和I.2的维度以在4.3μm处产生吸收峰。
实施例I.3：前侧结构被形成为分割十字图案，其中跨连接线的十字长度为652nm，沿着连接线的十字长度为623nm，跨连接线的十字宽度为201nm，沿着连接线的十字宽度为241nm，周期为1888nm，并且厚度为118nm。活性材料的厚度为30nm，介电间隔件的厚度为115nm，并且背侧结构是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。
实施例I.4：前侧结构被形成为锯齿形元件图案，其中相邻锯齿形元件之间的间隙为150nm，锯齿形肩角为90°，锯齿形肩长为1485nm，锯齿形元件的宽度为667nm，并且厚度为114nm。活性材料的厚度为30nm，介电间隔件的厚度为53nm，并且背侧结构是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。
当使用锑化铟作为活性材料、金用于前侧结构、铝用于背侧结构并且二氧化硅用于介电间隔件时，调整两个具体实施例I.3和I.4的维度以在3.3μm处产生吸收峰。
在类型II实施例中，活性材料布置在基板上方并与背侧结构接触，并且电触点接触背侧结构但不接触前侧结构。前侧结构优选地在入射辐射的频带中是透射的。可以选择类似于为类型I实施例呈现的维度的构造维度，使得背谐振器和前谐振器的维度将匹配以在期望波长处形成完美的吸收器。
在类型III实施例中，活性材料布置在背侧结构和前侧结构之间，并且电触点接触背侧结构和前侧结构。背侧结构可以形成为背板或包括背侧元件的背板谐振器。
根据本发明的另一方面，一种基于红外线的气体传感器包括上述用于吸收频带的红外辐射的光检测器，以及被配置为发射频带的红外辐射的红外发射器。此外，基于红外线的气体传感器包括确定单元，优选地例如通过CMOS处理集成在基板中。确定单元被配置为取决于在活性材料中感测到的电荷载流子确定周围气体化合物的浓度。特别地，气体化合物的浓度可以取决于在电触点之间测量的电压或电流来确定。这种基于红外线的气体传感器特别地可以用于检测CO2和测量其浓度。
在从属权利要求以及以下描述中列出了光检测器的其它有利实施例。
附图说明
本发明的实施例、方面和优点将从其以下详细描述中变得明显。详细描述参考附图，其中附图显示：
图1至图3是根据本发明的实施例的通过不同谐振超表面光检测器(对应于类型I至III的构造)的剖视图；
图4和图6是根据本发明的实施例的剖视图(上图)和俯视图(下图)中的两种可能的前侧谐振器图案；
图5和图7分别是图4和图6的前侧谐振器图案的法向光入射的吸收光谱；
图8a至图8d是根据本发明的实施例的在(前侧或背侧)谐振器图案的元件之间可能的互连以接触光检测器的活性材料；
图9a至图9l是根据本发明的实施例的在(前侧或背侧)谐振器图案的元件之间进一步可能的互连以接触光检测器的活性材料；
图10至图15是根据本发明的实施例的通过不同谐振超表面光检测器(对应于类型I的构造)的剖视图；
图16至图18是根据本发明实施例的通过不同谐振超表面光检测器(对应于类型II的构造)的剖视图；
图19和20是根据本发明的实施例的通过不同谐振超表面光检测器(对应于类型III的构造)的剖视图；
图21和22是根据本发明的具有分别与前侧谐振器和背侧谐振器接触的活性材料的光检测器的两个实施例；
图23是源自图21的实施例的具有可调整中心波长的吸收光谱，其中在前侧具有反转十字谐振器，并且在背侧具有十字谐振器；
图24是图23的吸收光谱之一的角度依赖性；
图25和图26是根据本发明的分别具有背侧谐振器和背板的没有电介质间隔件的超表面谐振器的两个实施例。
具体实施方式
在所有图中，相同的元件由相同的参考数字表示。
图1至图3示出了根据本发明的实施例的通过不同谐振超表面光检测器的剖视图。图1、图2和图3的实施例对应于三种主要提出的光检测器类型I、II和III：在所有三种类型中，构造6布置在基板5上，基板5可以是通常的半导体基板，如例如可从CMOS处理获得的。
图1(第一类型)的构造6包括(从基板到顶部)背侧结构1，即背板或背侧谐振器、介电间隔件2、活性材料3的层和前侧结构4，即前侧谐振器。背板/背侧谐振器1和前侧谐振器4由导电材料制成。出于以下所示的吸收光谱的目的，背板/背侧谐振器1由铝制成，并且前侧谐振器4由金制成。但是，其它金属也是可能的。介电间隔件2可以由二氧化硅、或氧化铝、或氮化硅、或氧化锆、或氧化铪或氧化钛制成。活性材料3包括半导体，特别是III-V族半导体，优选地砷化镓、砷化铝、磷化铟、砷化铟镓、砷化铟铝、砷化铟、锑化镓、锑化铝或最优选地锑化铟中的一种。在不同的实施例中，可以为活性材料3选择II-VI族半导体，特别是碲化汞或碲化镉。在又一个实施例中，石墨烯可以用作活性材料3。选择锑化铟用于下面显示的模拟吸收光谱。
根据本发明的实施例，活性材料3不需要是制造昂贵的单晶材料。相反，活性材料3可以是多晶或非晶材料。尽管如此，由于特殊的布线图案，仍可实现对入射辐射的高质量检测：活性材料3通过彼此非常接近，即仅相距10nm和2000nm之间，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间的电触点7(阳极和阴极)进行电接触。因此，光生电荷载流子，诸如电子和空穴，在被电触点7记录之前不需要长距离穿过活性材料3。这降低了例如在晶体边界处电荷载流子复合的可能性。使用多晶或非晶材料作为活性材料3还放宽了对基板5的材料的要求，在晶体活性材料的情况下，基板5的材料需要是特定的晶格匹配基板。这开辟了各种设计可能性，并使制造成本显著降低。
在图1的光检测器(类型I)中，电触点7通过前侧谐振器4从顶部接触活性材料3。电触点7通常实施为接合丝，但是，可以实施为如上文所述的不同的接触装置。
图2的构造6(类型II)包括(从基板到顶部)活性材料3的层、背侧谐振器1、介电间隔件2和前侧谐振器4。电触点7通过背侧谐振器1接触活性材料3。
图3的构造6(类型III)包括(从基板到顶部)背板/背侧谐振器1、活性材料3的层和前侧谐振器4。存在于第一和第二类型中的介电间隔件2在第三类型中被省略。电触点7从顶部和底部，即通过背板/背侧谐振器1和前侧谐振器4两者接触活性材料3。
图4和图6示出了根据本发明的实施例的两种可能的前侧谐振器图案，每一种都以剖视图(上图)和俯视图(下图)示出。所示的谐振器图案应用于根据第一类型的光检测器(图1)。图案由图4的元件4a和4c形成，它们通过图4的元件4a和4c的周期性重复填充构造6的整个顶面。相邻元件4a被间隙4b隔开，使得元件4a可以用于独立地接触下方的活性材料3。
图4的前侧谐振器4的元件4a和4c的周期性图案连同下面的活性材料3的层、介电间隔件2和背板/背侧谐振器1(一起被称为构造6)由于它们对入射辐射的效果，特别是过滤效果，因此组成所谓的谐振器超表面。虽然图4和图6中所示的构造6都示出了背板1，但也可以使用背侧谐振器1代替，使得可以进一步更改构造6的过滤效果。在那种情况下，背侧谐振器1可以显示与前侧谐振器4相似的图案。下面给出的图4和图6的构造6的维度被选择用于光检测器在CO2检测中的预期用途，即构造6的吸收峰的波长被调整到4.3μm，其对应于CO2的吸收最大值。
图5和图7分别示出了图4和图6的前侧谐振器图案的法向光入射的吸收光谱。吸收光谱是基于以下给出的维度通过模拟获得的。实线指示整体吸收率，并且虚线指示每种活性物质的吸收率(单位1代表100％)。
导致图5的吸收光谱的图4的构造6包括由称为“分割十字谐振器超表面”的分割十字形元件4a形成的前侧谐振器4。前侧谐振器4形成为两个不同形状的元件4a和4c的图案，即在相应十字的仅一个杆的相对端互连的十字4a。元件4a跨连接线具有914nm的十字长度，元件4c沿着连接线具有901nm的十字长度。元件4a跨连接线具有194nm的十字宽度，元件4c沿着连接线具有264nm的十字宽度。元件的周期为1858nm，并且厚度为86nm(图中在这方面未按比例缩放)。活性材料3的厚度为30nm，介电间隔件2的厚度为113nm，并且背侧结构是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。这种构造6在以4.3μm中心波长为中心的频带中产生高吸收率，吸收峰为1，如图5中所示。吸收光谱的半峰全宽在中心波长周围小于0.5μm，使得它非常适合于CO2的选择性检测。后者也是图6的构造情况。
导致图7的吸收光谱的图6的构造6包括形成为称为“锯齿形谐振器超表面”的锯齿形图案的前侧谐振器4，即该图案周期性地包括由锯齿形间隙4b分隔的导电材料的锯齿形元件4a。锯齿形元件4a之间的间隙宽度为150nm，锯齿形肩角为90°，锯齿形肩长为1756nm，锯齿形元件的宽度为803nm。前侧谐振器4的厚度为97nm，活性材料3的厚度为30nm，介电间隔件2的厚度为41nm，并且背板1的厚度为100nm。这种构造6在以4.3μm的中心波长为中心的频带中产生高吸收率，吸收峰为1，如图7中所示。
图8a至8d示出了根据本发明的实施例的与光检测器的活性材料3接触的(前侧或背侧)谐振器图案的元件之间可能的互连，即接触方案。
图8a和图8b的谐振器是交叉偶极型谐振器。图8a的谐振器形成为根据图4的两个不同形状的元件4a和4c的图案，而图8b的谐振器由成形为与图4的十字形4a略有不同地互连的十字形的元件4a形成。阴极(实线)和阳极(虚线)的电触点7接触彼此互连的谐振器元件4a的列。这有利于与活性材料3的接触点之间的小距离，如果如在本发明的实施例中提出的那样使用多晶或非晶活性材料3，那么这是优选的。
图8c的谐振器是反转交叉偶极型谐振器。图8c的谐振器4表现出相对于图8b中所示的图案的反转十字图案。反转十字元件3a在表面的一个维度，即垂直维度上彼此互连，而它们在表面的另一个水平维度中保持被间隙隔开。以这种方式，形成谐振器材料的分离条带，其通过电触点7接触，例如交替的阴极和阳极。图8d的谐振器4包括类似于图6的那些的锯齿形条带元件4。锯齿形条带元件4a被锯齿形间隙4b隔开，并且通过电触点7接触，例如交替的阴极和阳极。再次，这种接触方案有利于与活性材料3的接触点之间的小距离，如果如在本发明的实施例中提出的那样使用多晶或非晶活性材料3，那么这是优选的。
图9a至9l图示了根据本发明的实施例的(前侧或背侧)谐振器的进一步结构。在图9中所示的大多数结构中，垂直布置成一列的元件4a互连以形成一列互连的元件4a，即一组，优选地该组中的每一个被电接触。作为对照，水平布置成一排的元件4a通过电隔离间隙4b保持彼此分离。
图9a到图9c的谐振器是交叉偶极型谐振器。图9a的谐振器形成为两个不同形状的元件4a和4c，即十字4a和杆4c的图案。图8a中也示出了相同的结构。十字4a在位置4d处被互连以形成互连的十字4a的列。杆4c布置在十字4a的列之间。图9b的谐振器没有第二类型的元件，即图9a的杆4c。十字4a在位置4d处互连以形成互连的十字4a的组。在图9c的结构中，图9b的十字4a旋转45°，并且列的十字4a的中心通过互连4d被互连。
图9d的谐振器包括在4d处互连以形成相应组的箭头元件4。图9e的结构包括旋转的“V”形元件4a，元件4在4d处互连以形成各个组。
图9f的结构包括如已在图8d中示出的锯齿形条带元件4a。锯齿形条带元件4a被锯齿形间隙4b分开。图9l的结构替代地包括由对应的曲折间隙4b分开的曲折条带元件4a。
图9g和图9h的结构包括“U”形元件4，其中每行的“U”显示相同的朝向，而后续行中的“U”的朝向来回交替90°。在图9g中，列的“U”形元件4a在4d处互连成组，而图9h的“U”形元件a4彼此断开。替代地，在每组交替定向的“U”之间提供呈垂直线形式的另一个元件4c。
图9i的结构包括每列在4d处互连的圆形元件4a。图9j的结构包括每列在4d处互连的如从纸牌游戏已知的类似棒形的元件4。图9k的结构包括每列在4d处互连的复杂元件4。
图10至15各自示出了根据本发明的实施例的谐振超表面光检测器的剖视图。所有这些实施例均涉及类型I)的构造。
布置在基板5上，图10的构造6包括背侧结构1、介电间隔件2、活性材料3的层和前侧结构4，即前侧谐振器4。背侧结构1实施为连续的背板。例如，实施为接合丝的电触点7(阳极和阴极)通过前侧谐振器4从顶部接触活性材料3。前侧谐振器4包括布置在活性材料3的层的顶部的元件4a，其中元件4a被暴露。关于各层和部件所用的材料、维度、形状、间距等，参考前述实施例的描述。鉴于背板1、间隔件2和活性材料3具有平面性质，仅前侧谐振器4需要被结构化为使得图10中的光检测器易于制造。
与图10的实施例相比，图11的实施例示出了不同的背侧结构1，而所有其它元件都相同。现在图11的背侧结构被图案化并且包括单独的背侧元件1a以形成背侧谐振器1。背侧元件1a可以与前侧元件4a具有相同的形状；它们在不同的平面中被等同地布置。通过这种方式，可以进一步提高构造的过滤效果。
与图10的实施例相比，图12的实施例示出了前侧结构4的前侧元件4a的不同布置，而背侧结构1再次是背板。前侧元件4a现在被布置在间隔件2和活性材料3的层之间。为此，前侧元件4a例如被布置在间隔件2中的对应凹部中，或者替代地，沉积在间隔件2的顶部并且被活性材料3的层覆盖。同样，前侧元件4a由导电材料制成，并且由电触点7接触。这种布置保护前侧元件4a。
与图12的实施例相比，图13的实施例示出了不同的背侧结构1，而所有其它元件都相同。图13的背侧结构1现在被图案化并且包括单独的背侧元件1a。背侧元件1a可以具有与前侧元件4a相同的形状，并且优选地在不同平面中等同地布置。通过这种方式，可以进一步提高构造的过滤效果，同时前侧元件4a受到活性材料3的保护。
与图12的实施例相比，图14的实施例示出了前侧元件4a的不同布置，而背侧结构1再次是平面结构。现在，前侧元件4a被嵌入/掩埋在活性材料3的层中。即，前侧元件4a不再与间隔件2接触。同样，前侧元件4a由导电材料制成，并且通过电触点7接触。这里再次前侧元件4a被保护。
与图14的实施例相比，图15的实施例示出了不同的背侧结构1，而所有其它元件都相同。图15的背侧结构1被图案化并且包括单独的背侧元件1a。背侧元件1a可以具有与前侧元件4a相同的形状并且在不同平面中等同地布置。通过这种方式，可以进一步提高构造的过滤效果，同时前侧元件4a受到活性材料3的保护。
图16至图18各自示出了根据本发明的实施例的谐振超表面光检测器的剖视图。所有这些实施例都涉及类型II)的构造。图16的构造6从基板5到顶部包括活性材料3的层、介电间隔件2和前侧结构4，即前侧谐振器4。前侧谐振器4包括暴露并布置在活性材料3的层的顶部的元件4a。但是，现在所有这些实施例中的活性材料3都通过背侧结构1，借助于电触点7(阳极和阴极)(例如实施为接合丝)而电接触。为此，背侧结构1包括背侧结构元件1a。背侧元件1a可以与前侧结构4的前侧元件具有相同的形状，并且优选地在不同的平面中等同地布置。关于各层和组件所用的材料、维度、形状、间距等，参考前述实施例的描述。在图16的实施例中，背侧元件1a沉积在活性材料3的层的顶部，并且被随后施加的间隔件2的材料覆盖。
与图16的实施例相比，图17的实施例示出了背侧元件1a的不同布置，而所有其它元件都相同。图17的背侧元件1a现在布置在基板5和活性材料3之间，而不是如图16中那样布置在活性材料3和间隔件之间。
与图16和图19的实施例相比，图18的实施例现在包括嵌入/掩埋在活性材料3层中的背侧元件1a。因此，背侧元件1a仅与活性材料3接触。
图19和图20示出了根据本发明的实施例的对应于类型III)的构造的不同谐振超表面光检测器的剖视图。图19的构造6从基板5到顶部包括背板/背侧谐振器1、活性材料3的层和前侧谐振器4。类型I)和类型II)中存在的介电间隔件2在第三类型中被省略。电触点7同时从顶部和底部，即通过背板/背侧谐振器1和前侧谐振器4两者接触活性材料3。前侧谐振器4包括布置在活性材料3的层的顶部的元件4a，其中元件4a被暴露。背侧结构1包括连续背板。
与图19的实施例相比，图20的实施例示出了不同的背侧结构1，而所有其它元件都相同。图20的背侧结构1被图案化并且包括单独的背侧元件1a。背侧元件1a可以具有与前侧元件4a相同的形状，并且优选地在不同平面中等同地布置。
图21和22示出了根据本发明的实施例的具有分别与前侧谐振器4和背侧谐振器1接触的活性材料3的两种类型的光检测器。图21的构造6对应于图1中的构造(第一类型：通过前侧谐振器4由电触点7电接触的活性材料3)，不同之处在于图1的背板1实施为包括背侧元件1a的背侧谐振器1，参见图21。这有利于进一步调整谐振器特性，例如入射辐射的过滤效果。
图22的构造6对应于图2的构造(第二类型：通过背侧谐振器1由电触点7电接触的活性材料3)。在这种构造(第二类型)中，位于背侧的活性材料3也可以具有晶体的质量，因为它可以生长在晶格匹配的基板5上，这在图21的构造(第一类型)中更加困难和昂贵。
在图21和图22的实施例中，前侧元件4a和背侧元件1a优选地布置为在它们各自的平面中彼此偏移。
图23示出了由图21的构造产生的具有可调中心波长的模拟吸收光谱，其中前侧有反转十字谐振器，背侧有十字谐振器。它示出可以通过修改表征构造的维度来调整吸收峰的中心波长。
图24示出了图11的吸收光谱之一的吸收率的角度依赖性。值得注意的是，在0°(垂直入射)和45°的入射角之间，吸收光谱的中心波长或吸收峰的形状没有显著变化。即使介于45°和90°之间的入射角，4.3μm波长附近的吸收峰仍然是吸收光谱中的主要最大值。由于这些特性，图9的构造非常适合作为对一个选定频带具有高灵敏度的光检测器。
图25和图26示出了两种类型的没有介电间隔件的超表面谐振器。图25的构造包括底部处的背侧谐振器1(直接覆盖在基板5上)，而在图26的构造中，底部侧是背板1。在这两种构造中，活性材料3前后电接触的，例如，阴极接触通过前侧谐振器4而阳极接触通过背板/背侧谐振器1，而不是如在前面的实施例中那样横向接触。在图25的实施例中，前侧元件4a和背侧元件1a优选地布置为在它们各自的平面中彼此偏移。
虽然上面示出和描述了本发明的实施例，但是应该理解的是，本发明不限于此，而是可以在随附权利要求书的范围内以其它方式不同地实施和实践。

Claims (13)

1.一种光检测器，包括
基板(5)，以及
由基板(5)支持的被配置为充当光学谐振器并吸收频带的入射辐射，特别是红外辐射的构造(6)，
所述构造(6)包括：
-谐振前侧结构(4)，包括以周期性图案布置的前侧元件(4a)，前侧结构(4)面向所述入射辐射，
-布置在前侧结构(4)和基板(5)之间的背侧结构(1)，前侧结构(4)和背侧结构(1)中的至少一个由导电材料制成，以及
-活性材料(3)的层，由半导体材料制成并且被配置为将频带的入射辐射的至少一部分转换为电荷载流子，
其中前侧结构(4)和背侧结构(1)中的一个或多个与活性材料(3)接触，
其中所述构造(6)被配置为选择性地吸收频带的入射辐射，
其中与活性材料(3)接触的前侧结构(4)和背侧结构(1)中的所述一个或多个通过电触点(7)接触以感测活性材料(3)中的电荷载流子，
其中活性材料(3)包括非晶或多晶材料。
2.如权利要求1所述的光检测器，
其中电触点(7)包括接合丝、集成电路的金属线、集成电路的过孔、焊球、柱状凸块焊球、导电胶、导电油墨或再分布层的金属线中的一种。
3.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，
其中活性材料(3)包括以下之一
-III-V族半导体，优选地是砷化镓、砷化铝、磷化铟、砷化铟镓、砷化铝铟、砷化铟、锑化镓、锑化铝，或最优选锑化铟中的一种；
-II-VI族半导体，特别是碲化汞或碲化镉；
-石墨烯。
4.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，
其中相邻的前侧元件(4a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间的范围内，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间，
特别地，其中前侧元件(4a)被分组成各个组，组中的前侧元件(4a)彼此电连接，
特别地，其中前侧元件(4a)的各个组通过前侧间隙(4b)彼此分开，
特别地，其中属于不同组的相邻的前侧元件(4a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间的范围内，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间，
特别地，其中前侧元件(4a)被成形为以下或其反转中的一个或多个：
-十字，
-锯齿形元件，
-曲折元件，
-箭头，
-棒形，
-圆形，
-“V”，
-“U”。
5.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，
所述构造(6)还包括
-背侧结构(1)和前侧结构(4)之间的介电间隔件(2)，
特别地，其中介电间隔件(2)包括二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆、氧化铪、氧化钛。
6.如权利要求5所述的光检测器，
其中所述活性材料(3)布置在介电间隔件(2)的顶部，并且
其中电触点(7)接触前侧结构(4)，特别是前侧元件(4a)的各个组，但不接触背侧结构(1)，
特别地，其中前侧结构(4)布置在活性材料(3)的顶部，
特别地，其中前侧结构(4)布置在介电间隔件(3)和活性材料(3)之间，
特别地，其中前侧结构(4)布置为嵌入在活性材料(3)中。
7.如权利要求6所述的光检测器，
其中，在十字长度和周期的20％的公差和所有其它参数的500％的公差内，所述构造(6)具有以下维度之一：
-前侧结构(4)包括分割十字，其中跨连接线的十字长度为914nm、沿着连接线的十字长度为901nm、跨连接线的十字宽度为194nm、沿着连接线的十字宽度为264nm，周期为1858nm，并且厚度为86nm，活性材料(3)的厚度为30nm，介电间隔件(2)的厚度为113nm，并且背侧结构(1)是形成为厚度为100nm的连续膜的背板；
-前侧结构(4)包括锯齿形元件，其中锯齿形元件宽度为150nm，锯齿形肩角为90°，锯齿形肩长为1756nm，锯齿形元件的宽度为803nm，并且厚度为97nm，活性材料(3)的厚度为30nm，介电间隔件(2)的厚度为41nm，并且背侧结构(1)是形成为厚度为100nm的连续膜的背板；
-前侧结构(4)包括分割十字，其中跨连接线的十字长度为652nm、沿着连接线的十字长度为623nm、横跨连接线的十字宽度为201nm、沿着连接线的十字宽度为241nm、周期为1888nm并且厚度为118nm，活性材料(3)的厚度为30nm，介电间隔件(2)的厚度为115nm，并且背侧结构(1)是形成为厚度为100nm的连续膜的背板；
-前侧结构(4)包括锯齿形元件，其中锯齿形元件宽度为150nm，锯齿形肩角为90°，锯齿形肩长为1485nm，锯齿形元件宽度667nm，并且厚度为114nm，活性材料(3)的厚度为30nm，介电间隔件(2)的厚度为53nm，并且背侧结构(1)是形成为厚度为100nm的连续膜的背板。
8.如权利要求5所述的光检测器，
其中活性材料(3)布置在基板(5)的顶部，并且
其中所述电触点接触背侧结构(1)但不接触前侧结构(4)，
特别地，其中介电间隔件(2)布置在活性材料(3)的顶部，并且前侧结构(4)布置在介电间隔件(2)的顶部，
特别地，其中背侧结构(1)布置在活性材料(3)的顶部，
特别地，其中背侧结构(1)布置在基板(1)和活性材料(3)之间，
特别地，其中背侧结构(1)布置为嵌入在活性材料(3)中。
9.如权利要求1-4中的任一项所述的光检测器，
其中活性材料(3)布置在背侧结构(1)和前侧结构(4)之间，并且
其中所述电触点接触背侧结构(1)和前侧结构(4)。
10.如权利要求8-9中的任一项所述的光检测器，
其中背侧结构(1)是包括以周期性图案布置的背侧元件(1a)的谐振背侧结构(1)，
特别地，其中相邻背侧元件(1a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间的范围内，
特别地，其中背侧元件(1a)被分组成各个组，组中的背侧元件(1a)彼此电连接，
特别地，其中属于不同组的相邻的背侧元件(1a)之间的最小距离在10nm和2000nm之间，优选地在10nm和500nm之间，最优选地在10nm和200nm之间的范围内，
特别地，其中背侧元件(1a)被成形为以下或其反转中的一个或多个：
-十字，
-锯齿形元件，
-曲折元件，
-箭头，
-棒形
-圆形，
-“V”，
-“U”。
11.如前述权利要求中的任一项所述的光检测器，
其中频带以具有吸收峰的中心波长为中心，特别是中心波长为4.3μm或3.3μm之一，并且
其中中心波长附近的吸收光谱具有小于0.5μm的半峰全宽。
12.如权利要求3-11中的任一项所述的光检测器，
其中如果适用的话，每个前侧元件(4a)和每个背侧元件(1a)的延伸其维度取决于要被所述配置(6)吸收的辐射带，
特别地，其中在20％的容差内的所述延伸对应于中心波长除以4。
13.一种基于红外线的气体传感器，包括：
根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，用于选择性地吸收频带的红外辐射，
红外发射器，被配置为选择性地发射所述频带的红外辐射，以及
确定单元，优选地集成在基板(1)中，被配置为取决于在活性材料(3)中感测到的电荷载流子，特别是取决于电触点(7)之间测量的电压或电流，来确定周围环境中的气体化合物的浓度。
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