[發明專利]一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片

在審

• 申請號: 201810171259.0
• 申請日: 2018-03-01
• 公開（公告）號: CN108507678A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 張彤;蘇丹;熊夢;單鋒;張曉陽
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447;H01L27/146
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片，該探測芯片由陣列化的金屬納米釘諧振腔探測單元所組成，每個探測單元(1)包括：底電極(2)、半導體材料層(3)、間隔層(4)、納米釘陣列(5)、調控材料層(6)、頂電極(7)、外圍調控信號(8)及驅動電路(9)；其位置關系由上至下依次為頂電極(7)、調控材料層(6)、納米釘陣列(5)、間隔層(4)、半導體材料層(3)、底電極(2)，其中，納米釘陣列(5)填充于調控材料層(6)內部，外圍調控信號(8)及驅動電路(9)與調控材料層(6)兩側連接。實現探測器材料的量子效率顯著提升，光譜分辨率優于1納米，實現突破半導體截止波長的光探測。

技術領域

本發明屬于紅外探測器技術、金屬納米材料等領域，具體是一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片。

背景技術

超光譜成像探測技術利用具有一定光譜分辨率的超光譜圖像進行目標探測，相比傳統的單一寬波段光電探測技術，它要求結合成像技術和光譜測量技術獲取二維空間信息和隨波長分布的光譜輻射信息。只有對目標光譜信息和目標空間影像實現高精度的分辨，才能夠提高目標探測的準確性，擴展傳統探測技術的功能，在目標材質識別、異常目標檢測、偽裝目標辨識和復雜背景抑制等目標探測技術領域滿足應用需求。然而，現有的傳統紅外光電探測器的探測波長受半導體材料帶隙的限制，無法探測到更長的波段，而且光電探測器通常采用棱鏡、光柵或分布式布拉格反射鏡等分立器件對紅外輻射進行分光，以實現紅外多光譜成像，但難以實現芯片化與集成化；另外現有的多光譜探測技術采用的工作波段較少，一般為10個至20個，光譜分辨率Δλ/λ為0.1左右，即光譜分辨率低。

本發明利用等離激元納米顆粒的局域表面等離激元效應，針對現有紅外光電探測器量子效率低、光譜分辨率低、采用分立器件分光無法實現集成化與芯片化等瓶頸問題，并結合新機理、新技術提出了一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片，同時利用表面等離激元光致熱載流子可以打破傳統半導體探測器的探測波長受其帶隙限制的瓶頸，拓展其探測波長范圍；探測芯片具有探測波段可拓展、量子效率高、光譜分辨率高、芯片化、集成化及低成本等優點，可廣泛應用于軍事偵察、目標/背景探測、地雷探測等領域。

發明內容

技術問題：本發明的目的是解決已有紅外光電探測器的探測波長受半導體帶隙限制，探測范圍有限、量子效率低、光譜分辨率低、采用分立器件分光難以集成化和大規模芯片化等技術問題，提出一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片，利用金屬納米釘與半導體構成的異質結，基于等離激元諧振增強的熱載流子效應實現突破半導體截止波長的光探測；利用金屬納米釘橫向與縱向兩種諧振模式競爭導致的光吸收譜線的窄化，當金屬納米釘加入到紅外光電探測器中后，可提高入射到探測材料局部的光強密度，實現探測器材料的量子效率顯著增加；利用等離激元納米顆粒的表面等離激元共振與周圍的介質折射率相關，在調控材料層內部填充納米釘，通過外圍調控信號改變調控材料層的分布狀態，改變納米釘周圍介質的折射率，實現探測器響應波段譜峰的實時調控，光譜分辨率優于1納米。該探測芯片具有探測波長可拓寬、量子效率高、光譜分辨率高、可集成化、成本低、制備工藝簡單等優點，并能制備成陣列化的超光譜探測器。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明提出一種等離激元多諧振機制增強的可調超光譜探測芯片，該探測芯片由陣列化的金屬納米釘諧振腔探測單元所組成，每個探測單元包括：底電極、半導體材料層、間隔層、納米釘陣列、調控材料層、頂電極、外圍調控信號及驅動電路；其位置關系由上至下依次為頂電極、調控材料層、納米釘陣列、間隔層、半導體材料層、底電極，其中，納米釘陣列填充于調控材料層內部，外圍調控信號及驅動電路與調控材料層兩側連接。

其中，

所述探測單元的尺寸大小為200納米至4微米，相鄰探測單元之間的距離為500納米至2微米,所述探測單元陣列為k×t二維面陣，其中k和t取值為2到10000，構成的探測芯片尺寸大小在100微米至5000微米之間。

所述底電極為多層電極，每層電極之間相互絕緣，每層電極可配合頂電極獨立讀出電信號。