[發明專利]一種超表面諧振增強窄帶光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110585736.X
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113345971B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 易飛;黎錦釗;劉歡
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/18;G02B5/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種超表面諧振增強窄帶光電探測器及其制備方法，屬于微納光學和窄帶光電探測器領域。本發明通過調整介質超表面反射鏡的橫向參數，能夠在不改變其余的參數條件下調整探測器的響應波長，同時集成多個波長的窄帶探測單元，每一種窄帶探測單元只對特定波長電磁波有較高的響應度，對其他波長的入射光響應度較低，從而實現窄帶多色探測。本發明的窄帶光探測器具有較好的角度穩定性，當入射角度小于20°，窄帶光電探測器對TM偏振態的峰值響應波長不發生改變；超表面反射鏡的幾何參數滿足米氏諧振條件，使其對入射角度變化引入的光程相位變化有補償效應，從而使諧振增強窄帶探測器對TE偏振態的峰值響應波長的角度敏感性較小。

技術領域

本發明屬于微納光學和窄帶光電探測器領域，更具體地，涉及一種超表面諧振增強窄帶光電探測器及其制備方法。

背景技術

窄帶光電探測器有廣泛的應用領域,如氣體探測,特殊爆炸物質識別和光譜分析等。

光電探測薄膜如膠體量子點薄膜、有機光電薄膜，二維光電材料等,具有響應度高,制備簡單等優點。增加光電探測薄膜厚度能增加響應度，同時會增加暗電流,在不增加薄膜厚度的前提下增加光電探測薄膜上的外量子效率有重要意義。

光學諧振腔能使得諧振電磁波被局域在諧振腔內,將光電探測薄膜放在光學諧振腔內，諧振電磁波在諧振腔內來回反射最終被光電探測薄膜吸收，諧振腔能增加有限厚度光電探測薄膜吸收,進而提高探測器的響應度。同時諧振腔具有波長選擇能力,能選擇性增強特定波長上光電探測薄膜的吸收,實現窄帶探測，將光電探測薄膜放置在光學諧振腔能同時增強響應度和實現窄帶探測，這類探測器稱為諧振增強光電探測器。

現有諧振增強光電探測器的反射鏡是一般為多層膜DBR反射鏡，DBR反射鏡在寬波段范圍內有較高的反射率，適合作為光學諧振腔的反射鏡；但是DBR反射鏡的制備工藝復雜，而且不具備調控諧振波長的能力，基于DBR反射鏡的諧振增強光電探測器對入射角度敏感。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種超表面諧振增強窄帶光電探測器及其制備方法，其目的在于解決DBR反射鏡的制備工藝復雜，不具備調控諧振波長的能力，且基于DBR反射鏡的諧振增強光電探測器對入射角度敏感的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種超表面諧振增強窄帶光電探測器，包括：光學窗口片、介質超表面反射鏡、介質諧振腔腔體、光電探測薄膜、讀出電極和金屬反射鏡；

所述光學窗口片、介質諧振腔腔體、金屬反射鏡從上至下依次分布；所述介質超表面反射鏡、光電探測薄膜從上至下依次嵌入在介質諧振腔腔體內；所述讀出電極分布在光電探測薄膜兩側；

所述介質超表面反射鏡、介質諧振腔腔體和金屬反射鏡組成光學諧振腔；所述介質超表面反射鏡為介質光學天線陣列，其幾何參數滿足米氏諧振條件；

所述光學窗口片，用于透射入射電磁波，使入射電磁波進入光學諧振腔內；

所述介質超表面反射鏡與金屬反射鏡，共同用于將入射電磁波中諧振波長的電磁波局域在光學諧振腔內來回反射；其中，諧振波長由介質超表面反射鏡的橫向幾何參數確定；

光電探測薄膜，用于將入射電磁波轉換為電信號；

讀出電極，用于將光電探測薄膜產生的電信號轉引出到外部電路上。

進一步地，介質超表面反射鏡的折射率是光學窗口片折射率的2-3倍。

進一步地，介質超表面反射鏡為無損耗介質材料。

進一步地，介質超表面反射鏡的反射率在80％-90％之間，反射帶寬為諧振波長的0.25倍。

進一步地，介質超表面反射鏡的反射率能使光學諧振腔滿足臨界匹配條件。