[發明專利]一種耐強光的陶瓷納米結構增強型4H-SiC基光功率計

在審

• 申請號: 202210707094.0
• 申請日: 2022-06-21
• 公開（公告）號: CN115096438A
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 耿路路;崔艷霞;翟愛平;李國輝
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01J1/42
• 分類號: G01J1/42;H01L31/0312;H01L31/108
• 代理公司: 北京中睿智恒知識產權代理事務所(普通合伙) 16025
• 代理人: 侯文峰

本發明公開了一種耐強光陶瓷納米結構增強型4H?SiC基全光譜光功率計。該裝置是以陶瓷納米結構增強型碳化硅基光電探頭(1)為核心，集成了電流測量模塊(2)、控制/通信/運算/顯示模塊(3)與電源模塊(4)，構成一款耐強光全光譜光功率計。該裝置中的光電探頭在已有貴金屬納米結構增強型碳化硅基光電探測器設計中，使用熱容系數更高、熔點更高的氮化鈦陶瓷納米結構來代替貴金屬納米結構，可降低器件在強光照射之后引起的溫升，避免器件在光照溫升后造成的納米結構熔化與損壞，保障器件在強光照射下能正常工作。本專利提供的光功率計是基于內光電發射效應制成的，較之光伏效應制成的光功率計能耐受更強的光，較之熱敏電阻效應制成的光功率計具有更快的測量速度。

技術領域

本發明屬于半導體光電領域，具體涉及一種耐強光的陶瓷納米結構增強型4H-SiC基光功率計。

背景技術

目前市場上常見的光功率計主要有兩類，一類基于光-熱-電原理，一類基于光-電原理。基于光-熱-電原理的光功率計又包括熱敏電阻型功率計和熱電偶型功率計兩種。熱敏電阻型功率計利用熱敏電阻做光功率傳感元件，被測光信號的功率被熱敏電阻吸收后產生熱量，使其自身溫度升高引發電阻值發生顯著變化，利用電阻電橋測量電阻值的變化量，從而可以換算得到入射光的功率值。熱電偶型功率計則是利用熱電偶型功率計中的熱偶結直接吸收入射光信號的功率，結點溫度升高，產生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的光功率值，從而實現測量光功率的目的。基于光-熱-電原理的光功率計可測量的光譜范圍很寬，還可測量強光，但其不足之處在于從光信號到熱信號的轉化過程耗時過長，限制了功率測量的速度。與之相比，基于光-電原理的光功率計利用光生伏特或光電導效應，將光信號直接轉化為電信號，在測量速度方面有顯著優勢，但其不足之處在于，能測量的光譜范圍由半導體材料的帶隙決定，例如硅光功率計只能用于測量波長比1.1微米短的入射光的功率。此外，基于光電原理的光功率計在強光照射下會出現信號飽和行為，不適用于測量強激光的功率。例如，Thorlabs公司的一款硅二極管光功率計(型號：S130C)能測的最強光強僅為500mW，而使用積分球后，其可測量最強光強被提升至5W，遠低于基于光-熱-電原理的光功率計可測量的最強光強(型號：S322C，200W)。

本專利提出一種基于光電原理的耐強光全光譜光功率計，一方面可以彌補基于光電原理的傳統光功率計不耐強光、光譜范圍窄的問題，同時還能解決基于光-熱-電原理的傳統光功率計響應速度較慢的問題。本專利所選擇的半導體材料為碳化硅(4H-SiC)，這是一種具有優異耐輻照性能的材料。已有研究表明，Si光電探測器經200W/m²的254nm紫外線照射208h之后，輸出電流下降了40％，而同樣光照下，4H-SiC器件幾乎檢測不到任何變化(文獻：量子電子學報2014,3(4),389-501)。遺憾的是，受到禁帶寬度的限制，4H-SiC光電探測器無法對光子能量大于其帶隙的可見光及紅外光做出響應。利用表面等離激元增強型內光電發射效應可以拓寬4H-SiC光電探測器的響應波段。2021年，崔艷霞等人公開了一種碳化硅基光電探測器(專利號CN202110270328.5)，該器件利用金、銀等貴金屬材料制成的納米結構激發表面等離激元效應產生熱載流子，利用熱載流子的內光電效應，將器件的響應光譜范圍拓展至紫外-可見-近紅外全光譜。