[發明專利]一種基于圓盤超表面結構窄帶濾光的集成化光電探測器件

在審

• 申請號: 202010879039.0
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112054069A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 吳志鵬;王琦龍;翟雨生
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0224;H01L31/0232;H01L31/102
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

本發明公開了一種基于圓盤超表面結構窄帶濾光的集成化光電探測器件，該探測器件結構自下而上分別為：底部電極結構，半導體層，金屬薄膜層，介質層以及頂部的金屬圓盤結構。其中圓盤超表面結構支持的等離激元共振模式與超表面結構?介質層?金屬薄膜層支持的腔體模式進行共振耦合，產生選擇性透射窄帶光譜，結合半導體層實現可見及近紅外波段的窄帶光電探測特性；金屬薄膜的設立有效降低了電極結構對集成化的影響，有利于多個窄帶濾光納米陣列的高度集成，并且受益于圓盤超表面結構在空間分布上呈正六邊形，而不受入射光偏振態的影響。該集成化探測器具有微型化、集成化、可調諧的特征，在光電子器件及光譜成像領域具有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及光電探測器領域，尤其涉及一種基于圓盤超表面結構窄帶濾光的集成化光電探測器件。

背景技術

光電探測器是光譜成像領域的核心器件，以能帶理論為基礎，將入射光信號轉換為電信號，實現光電轉換功能。但傳統的光電探測器絕大多數是寬波段的響應，需要借助分光系統來實現精細的光譜分辨。而目前分光系統一般為光柵為主導的光學系統或有機材料為主導的濾光片，光學系統體積龐大、系統復雜不利于器件的集成化與微型化；染料型濾光片穩定性差、透射率低，也難以與光電探測器件深度集成化。因此急需設計基于新結構或者新原理的可以實現光譜分辨功能的新型窄帶光電探測器件。

近年來，受益于電磁仿真軟件的發展和微納加工工藝的成熟，超表面結構為高光譜集成化器件提供了新方法。但目前以超表面結構的分光特性也存在損耗較大、峰值半高寬較寬、透射率低、集成度差等問題，而且現階段超表面結構在分光領域的研究仍然集中在光譜分辨與彩色顯示領域，對于超表面結構與光電探測器的完美集成仍待進一步研究。

發明內容

本發明目的是提出一種基于圓盤超表面結構窄帶濾光的集成化光電探測器件，該器件利用圓盤超表面結構在特定波段下激發等離激元模式，與此波段下超表面結構-介質層-金屬薄膜層存在相長干涉激發的腔體模式共振耦合，產生透射窄帶光譜，結合半導體層實現可見及近紅外波段的窄帶光電探測特性，并且不受入射光偏振態的影響。此種器件改變圓盤超表面結構和介質層厚度，可調控響應波段，并且此種器件的電極結構無需另行設立，可用金屬薄膜波導直接作為電極結構，降低了額外的電極結構對集成化的影響；此結構高度集成濾光膜層與探測系統，實現集成化的窄帶光譜探測功能，便于高光譜成像系統微型化與集成化的發展。

本發明提出一種基于圓盤超表面結構窄帶濾光的集成化光電探測器件，該探測器件結構自下而上分別為：底部電極結構，半導體層，金屬薄膜層，介質層以及頂部的金屬圓盤結構。

所述金屬圓盤超表面結構利用圓盤超表面結構在特定波段下激發等離激元模式，與此波段下超表面結構-介質層-金屬薄膜層的腔體模式共振耦合，結合半導體層實現可見及近紅外波段的窄帶光電探測特性，并且不受入射光偏振態的影響。

所述金屬圓盤超表面結構空間上為正六邊形分布，圓盤厚度為10nm～200nm，圓盤周期為200～2000nm，圓盤半徑為80～900nm，其材料為金、銀、鋁、鈀、銅材料中一種或上述金屬組合的合金。

所述介質層的厚度為20nm～500nm，其材料為二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁、氧化鋅、二氧化鈦、氧化鉿或者氟化鎂中的一種或者多種。

所述金屬薄膜層厚度為10nm～80nm，其材料為金、銀、鋁、鈀、銅材料中一種或多種金屬的合金，其作用不僅能夠做為光學波導實現窄帶分光，同時可以做為底部半導體層的電極，與底部電極結構形成對電極，實現光電流的探測功能。

所述半導體層的厚度為100nm～5000nm，其材料為氧化鋅、氧化鈦、硅、鍺、砷化鎵、磷化銦或銦鎵砷，其結構為任意一種上述材料的層狀結構或者多種上述材料疊加組成PN結型或者PIN結型結構。

所述底部電極結構的厚度為50 nm以上，其材料為金、銀、銅或者鋁中的一種或者多種上述金屬組成的合金。