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一种基于表面等离激元共振的光电探测器

阅读：165发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于表面等离激元共振的光电探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于表面等离激元共振的光电探测器，涉及热电子光电探测器技术领域，特别涉及一种基于表面等离激元共振的光电探测器。解决了现阶段光电探测器受到半导体禁带宽度的影响，不能扩大光谱工作范围的问题。包括栅极，所述栅极上方向上依次设有绝缘体介质层和半导体层，半导体层在水平方向上分布有若干个，所述绝缘体介质层上侧连接有分别位于半导体层两侧的源极和漏极；各半导体层上侧还设有源极电极，相邻源极电极之间设有漏极电极，源极电极与漏极电极形成亚波长光栅结构，各源极电极皆连接于源极，各漏极电极皆连接于漏极。达到了光谱工作范围由金属/半导体之间的肖特基势垒决定，可扩大光谱工作范围的效果。，下面是一种基于表面等离激元共振的光电探测器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：
包括栅极（1-7），所述栅极（1-7）上方向上依次设有绝缘体介质层（2）和半导体层（3），半导体层（3）在水平方向上分布有若干个，所述绝缘体介质层（2）上侧连接有分别位于半导体层（3）两侧的源极（1-2）和漏极（1-6）；
各半导体层（3）上侧还设有源极电极（1-4），相邻源极电极（1-4）之间设有漏极电极（1-
3），源极电极（1-4）与漏极电极（1-3）形成亚波长光栅结构，各源极电极（1-4）皆连接于源极（1-2），各漏极电极（1-3）皆连接于漏极（1-6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：栅极（1-7）为金属铝层。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：绝缘体介质层（2）为二氧化硅绝缘体介质层。
4.根据权利要求3所述的一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：绝缘体介质层（2）设有100nm厚。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：半导体层（3）为n型半导体层（3）。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其特征在于：亚波长光栅结构周期为400nm，占空比为0.25。

说明书全文

一种基于表面等离激元共振的光电探测器

技术领域

[0001] 本实用新型涉及热电子光电探测器技术领域，特别涉及一种基于表面等离激元共振的光电探测器。

背景技术

[0002] 微纳结构由于具有独特的光学特性成为当前光电功能材料与器件的研究热点，周期性微纳结构在光子集成技术、隐身材料、超分辨率成像、电磁波吸收体、辐射调制、光电探测、传感测量等方面具有重要的应用前景。微结构所激发出的表面等离激元可以以非辐射的方式衰变成高能电子即“热电子”，可以用于各类热电子光电探测器。而现阶段光电探测器受到半导体禁带宽度的影响，不能扩大光谱工作范围。实用新型内容

[0003] 本实用新型的目的是提供一种基于表面等离激元共振的光电探测器，其使用金属电极与半导体材料接触形成肖特基势垒，通过亚波长结构的金属电极来激发局域表面等离激元，再以非辐射衰变的方式变成一个热电子，克服肖特基势垒进入金属/半导体界面，通过栅极电压控制热电子进入半导体的导带，从而对漏极电流进行放大，其光谱工作范围由金属/半导体之间的肖特基势垒决定，可以扩大光谱工作范围。

[0004] 本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

[0005] 一种基于表面等离激元共振的光电探测器，包括栅极，所述栅极上方向上依次设有绝缘体介质层和半导体层，半导体层在水平方向上分布有若干个，所述绝缘体介质层上侧连接有分别位于半导体层两侧的源极和漏极；

[0006] 各半导体层上侧还设有源极电极，相邻源极电极之间设有漏极电极，源极电极与漏极电极形成亚波长光栅结构，各源极电极皆连接于源极，各漏极电极皆连接于漏极。

[0007] 更进一步地，栅极为金属铝层。

[0008] 更进一步地，绝缘体介质层为二氧化硅绝缘体介质层。

[0009] 更进一步地，绝缘体介质层设有100nm厚。

[0010] 更进一步地，半导体层为n型半导体层。

[0011] 更进一步地，亚波长光栅结构周期为400nm，占空比为0.25。

[0012] 综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

[0013] 通过线偏振的TM宽光源垂直入射样品，在亚波长光栅处激发处局域表面等离激元，通过缜密的设计共振结构使得局域表面等离激元共振出现在光栅与半导体材料界面处，使得以非辐射的方式衰变成高能电子即“热电子”有大概率进入肖特基界面，再配合栅极电压使得热电子注入n型半导体的导带，从而对漏极电流产生放大。附图说明

[0014] 图1是本实用新型的整体结构示意图；

[0015] 图2是本实用新型中亚波长光栅结构的示意图；

[0016] 图3是本实用新型中亚波长光栅结构的部分截面示意图；

[0017] 图4是本实用新型中的热电子光电探测器原理图；

[0018] 图5分别是亚波长光栅共振微结构的光学吸收谱线(实线)与光学反射谱线(虚线)；以及漏极电压固定在20V，不同栅极电压下的探测器光响应曲线。

[0019] 图中，1-1、源极电路；1-2、源极；1-3、漏极电极；1-4、源极电极；1-5、漏极电路；1-6、漏极；1-7、栅极；2、绝缘体介质层；3、半导体层。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本实用新型的限制。

[0021] 一种基于表面等离激元共振的光电探测器，如图1和图2所示，包括栅极1-7，栅极1-7为金属铝层，在栅极1-7上方沉积100nm厚的二氧化硅绝缘体介质层2，用于实现上部半导体与金属铝层之间的绝缘；再于绝缘体介质层2上方使用化学气相沉积法制备30nm厚的n型半导体材料，掺杂浓度为7.1×1021cm-3。栅极1-7电压为VG，漏极1-6电压为VDS并固定为
20V。

[0022] 如图1-图3所示，半导体层3在水平方向上分布有3个，绝缘体介质层2上侧连接有分别位于半导体层3两侧的源极1-2和漏极1-6；各半导体层3上侧还设有与源极1-2相平行的源极电极1-4，相邻源极电极1-4之间设有漏极电极1-3，源极电极1-4与漏极电极1-3形成亚波长光栅结构，用于激发局域表面等离激元共振；亚波长光栅结构周期为400nm，占空比为0.25，光栅宽度即源极电极1-4与漏极电极1-3的宽度为300nm，相邻光栅之间的间隔设有50nm。亚波长光栅结构使用纳米压印与电子束刻蚀技术并配合剥离过程制备，整个亚波长光栅阵列的大小为150μm*200μm。

[0023] 如图1所示，同一半导体层3上的源极电极1-4连接于同一源极电路1-1，源极电路1-1远离源极电极1-4一端连接于源极1-2，同一半导体层3上的漏极电极1-3连接于同一漏极电路1-5，漏极电路1-5远离漏极电极1-3一端连接于漏极1-6。金属电极、源极电路1-1和漏极电路1-5皆由电子束刻蚀制备，并通过1nm的Ti粘黏于绝缘体介质层2上，形成热电子光电探测器。

[0024] 如图4所示，使用250W的宽光源通过线偏振片垂直入射样品，TM模式下，入射光电场平行于周期方向。入射光激发局域表面等离激元，衰变成热电子进入肖特基界面，再通过栅极1-7电压产生的电场注入半导体的导带，对漏极1-6电流产生放大，其具体数值如图5所示。

[0025] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，不用于限制本实用新型，本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型技术方案的保护范围内。

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