[發明專利]一種響應光譜可調節的光電探測器

有效

• 申請號: 201611197584.1
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106784056B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 王琦龍;陳廣甸;翟雨生
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/113;B82Y40/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 唐紹焜

技術領域

本發明涉及一種響應光譜可調節的新型光電探測器件，可用于動態調節光電探測器的響應光譜范圍。

背景技術

光電探測器作為一種將光信號轉換為電信號的器件，已經被應用于諸多領域。傳統內光電效應光電探測器件基于半導體能帶理論，只要入射光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，就能夠激發價帶電子至導帶，形成光致載流子，產生光電流，實現光電探測，但是基于此種原理的光電探測絕大多數針對探測的波段就是一個寬光譜波段，機制不能實現光譜的精細分辨，而且一旦半導體材料確定就不能夠實現響應光譜的調節。目前實現精細光譜分辨和探測的主要方法是利用光學系統首先實現光譜分離，再結合探測器實現光譜分辨探測，使用的光學系統主要由濾波片、光柵等，此種方法雖然可以實現高光譜或者超光譜探測，但是整個系統復雜，體檢大，不便于芯片化和集成化，因此急需設計基于新結構或者新原理的響應波段可調節的光電探測器件。

表面等離激元是指介電常數的實部互相反號的兩種材料(如常見的金屬，電介質材料)，在電磁波照射下，兩種材料界面處的電子集體振蕩所形成的表面電磁場。等離激元共振的波長主要由金屬納米結構的尺寸結構材料以及周圍介電環境決定。因其獨特的局域場增強特性，金屬納米結構的的表面等離激元共振特性被廣泛的應用與物理生物和化學領域。作為其中一個典型代表，表面等離激元共振非輻射衰減產生的熱電子能夠注入到相鄰半導體被收集產生光電流，實現一種基于金屬納米結構等離激元熱電子效應的新型光電探測。

電光晶體或者導電金屬氧化物(如氧化銦錫，摻鋁氧化鋅等)作為一種特殊材料，可以通過外加電壓調控材料的折射率(介電常數)，但是將其與等離激元金屬納米結構結合起來，通過調控電壓改變金屬納米結構的折射率環境(即可調控等離激元共振波長和熱電子產生的波長)，實現調控光電探測器的光譜響應范圍的報道還沒有，有鑒于此，將電光晶體的折射率可調控性與金屬納米結構等離激元共振衰減產生的熱電子結合起來，開發出響應光譜的動態可調節的光電探測器件十分必要。

發明內容

發明目的：為了克服現有光電探測器件響應光譜固定不可調，而且不能單獨實現光譜分辨探測，必須與其他光學元器件或系統相結合的缺點。本發明提出一種新型的響應光譜可動態調控的探測器件，利用外加電壓改變電光晶體的折射率來調控金屬納米結構的等離激元共振波長，因此可以最終達到調控器件的響應光譜。此種器件結構，無需其他光學元器件或系統，便于微型化和芯片化。

技術方案：

一種響應光譜可調節的光電探測器，包括自下而上設置的絕緣襯底、金屬柵極、第一絕緣隔離層以及半導體層，在所述半導體上兩側分別設有金屬源極和金屬漏極；在所述半導體層上依次設有第二絕緣隔離層及電光晶體覆蓋層；所述第二絕緣隔離層及電光晶體覆蓋層隔離設置于所述金屬源極和金屬漏極之間；在所述第二絕緣隔離層上間隔設置有等離激元金屬納米結構；所述等離激元金屬納米結構上端與所述電光晶體覆蓋層接觸，下端與所述半導體層相接觸；在所述電光晶體覆蓋層上方兩側設置有用于外接電路的透明引出電極。

所述半導體層的材料為二氧化鈦，氧化鋅及硅的半導體或者石墨烯、過渡金屬硫化物的二維材料。

所述等離激元金屬納米結構的形狀為納米球，納米棒，納米三角板，納米盤或納米蝴蝶結陣列。

所述等離激元金屬納米結構所采用的金屬材料為金、銀、銅、鋁的金屬或由上述金屬組成的合金。

所述電光晶體覆蓋層的材料為磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰、鉭酸鋰的電光晶體或者為介電常數可調節的透明導電氧化物。

所述第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層材料為二氧化硅，三氧化二鋁，氮化硅或氟化鎂。

所述金屬源漏極材質為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷中的一種或由上述金屬組成的合金。

所述金屬柵極材料選用金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷中的一種或由上述金屬組成的合金。

有益效果：本發明將電光晶體這一在外電場作用下折射率發生變化的材料用來調控等離激元金屬納米結構所在的介電環境，利用外加電壓調控覆蓋晶體的折射率，來改變金屬納米結構的等離激元共振波長，從而調控熱電子產生的波長，最終達到調控光電探測器件的響應光譜。無需其他光學元器件或系統，即可實現光電響應光譜的動態調節，便于微型化和芯片化。

附圖說明

圖1為本發明的橫截面結構示意圖。

圖2為圖1的三維結構示意圖。