光敏元件
阅读：364发布：2023-01-16
专利汇可以提供光敏元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种光敏元件，包括 半导体 有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、 阳极 和 阴极 ，纳米孔阵列层设有贯穿纳米孔阵列层的纳米孔，纳米孔沿纳米孔阵列层的厚度方向延伸，半导体有源层、纳米孔阵列层和亚微米颗粒层依次层叠，纳米孔阵列层和亚微米颗粒层的两端对齐，阳极和阴极均位于半导体有源层上，且阳极和阴极分别位于纳米孔阵列层和亚微米颗粒层的两端。上述光敏元件，当亚微米颗粒被入射 光激发 时，其内部的自由 电子 产生的局域 表面 等离子体 共振会使得该亚微米颗粒表面的局域电 磁场 被极大增强。通过亚微米颗粒结构和纳米孔阵列结构之间的局域 表面等离子体 共振耦合作用能够使得半导体产生的载流子数量增强，从而提高半导体的光 电流 强度，提高灵敏度。，下面是光敏元件专利的具体信息内容。
1.一种光敏元件，其特征在于，包括半导体有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、阳极和阴极，所述纳米孔阵列层设有贯穿所述纳米孔阵列层的纳米孔，所述纳米孔沿所述纳米孔阵列层的厚度方向延伸，所述半导体有源层、所述纳米孔阵列层和所述亚微米颗粒层依次层叠，所述纳米孔阵列层和所述亚微米颗粒层的两端对齐，所述阳极和所述阴极均位于所述半导体有源层上，且所述阳极和所述阴极分别位于所述纳米孔阵列层和亚微米颗粒层的两端；所述亚微米颗粒层的亚微米颗粒包括中心纳米颗粒和凸出于所述中心纳米颗粒表面的多颗周围纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述半导体有源层的材料为硅、锗或铟镓砷至少一种。
3.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述纳米孔阵列层的材料为金、银或铜。
4.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述纳米孔阵列层的所述纳米孔的孔径为300nm～400nm，相邻的所述纳米孔之间的距离为0.1nm～200nm，所述纳米孔阵列层的厚度为50nm～100nm。
5.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述纳米孔阵列层的所述纳米孔的孔径为350nm。
6.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述亚微米颗粒层的材料可以为金、银或铜。
7.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述中心纳米颗粒的粒径为200nm～
400nm，所述周围纳米颗粒的粒径为100nm～150nm。
8.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述亚微米颗粒层的亚微米颗粒的粒径为300nm～550nm。
9.如权利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述阳极的材料为金、银、铜或铂，所述阴极的材料为金、银、铜或铂。
光敏元件
技术领域
[0001] 本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种光敏元件。
背景技术
[0002] 红外技术具有隐蔽性好、不受电磁干扰、受环境影响小、探测能力强和作用距离远等特点，因而在军事和民用方面都有很高的应用价值。红外技术发展的先导是红外探测器的发展，以半导体为核心的光子探测器是当前红外探测器的主流，半导体光敏元件是探测器的核心部件。当前国内外研究人员从半导体材料和加工工艺方面改进量子效率，近年来已有研究报道显示金属微纳米结构的表面等离子体光学特性可以增强半导体的光吸收，从而改进半导体的量子效率。然而，传统的半导体光敏元件的灵敏度不是很高。
发明内容
[0003] 鉴于此，有必要提供了一种灵敏度较高的光敏元件。
[0004] 一种光敏元件，包括半导体有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、阳极和阴极，所述纳米孔阵列层设有贯穿所述纳米孔阵列层的纳米孔，所述纳米孔沿所述纳米孔阵列层的厚度方向延伸，所述半导体有源层、所述纳米孔阵列层和所述亚微米颗粒层依次层叠，所述纳米孔阵列层和所述亚微米颗粒层的两端对齐，所述阳极和所述阴极均位于所述半导体有源层上，且所述阳极和所述阴极分别位于所述纳米孔阵列层和亚微米颗粒层的两端。
[0007] 在其中一个实施例中，所述纳米孔阵列层的所述纳米孔的孔径为300nm～400nm，相邻的所述纳米孔之间的距离为0.1nm～200nm，所述纳米孔阵列层的厚度为50nm～100nm。
[0008] 在其中一个实施例中，所述纳米孔阵列层的所述纳米孔的孔径为350nm。
[0009] 在其中一个实施例中，所述亚微米颗粒层的材料可以为金、银或铜。
[0010] 在其中一个实施例中，所述亚微米颗粒层的亚微米颗粒包括中心纳米颗粒和凸出于所述中心纳米颗粒表面的多颗周围纳米颗粒。
[0011] 在其中一个实施例中，所述中心纳米颗粒的粒径为200nm～400nm，所述周围纳米颗粒的粒径为100nm～150nm。
[0012] 在其中一个实施例中，所述亚微米颗粒层的亚微米颗粒的粒径为300nm～550nm。
[0013] 在其中一个实施例中，所述阳极的材料为金、银、铜或铂，所述阴极的材料为金、银、铜或铂。
[0014] 上述光敏元件，通过将亚微米颗粒结构、纳米孔阵列结构与半导体相结合，当亚微米颗粒被入射光激发时，其内部的自由电子产生的局域表面等离子体共振会使得该亚微米颗粒表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的表面等离子体共振吸收。由于局域场的增强，从而使半导体表面上的金属粒子能够有效增强半导体的光吸收能力。因此，通过亚微米颗粒结构和纳米孔阵列结构之间的局域表面等离子体共振耦合作用能够使得半导体产生的载流子数量增强，从而提高半导体的光电流强度，从而提高该光敏元件的灵敏度。附图说明
[0015] 图1为一实施方式的光敏元件的结构示意图；
[0016] 图2为亚微米颗粒在在纳米孔阵列层表面的随机分布图；
[0017] 图3为亚微米颗粒的结构示意图；
[0018] 图4为亚微米银颗粒和球形银纳米颗粒的消光截面积曲线图；
[0019] 图5为实施例1～3的光敏元件相比于半导体有源层的光电流的增强倍数曲线图；
[0020] 图6为实施例4的光敏元件的相比于半导体有源层的光电流的增强倍数曲线图。
具体实施方式
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022] 请参阅图1和图2，一实施方式的光敏元件100，包括半导体有源层10、纳米孔阵列层20、亚微米颗粒层30、阳极40和阴极50。纳米孔阵列层20设有贯穿纳米孔阵列层20的纳米孔22，纳米孔22沿纳米孔阵列层20的厚度方向延伸。纳米孔阵列层20的纳米孔22呈阵列分布。半导体有源层10、纳米孔阵列层20和亚微米颗粒层30依次层叠，纳米孔阵列层20和亚微米颗粒层30的两端对齐，阳极40和阴极50均位于半导体有源层10上，且阳极40和阴极50分别位于纳米孔阵列层20和亚微米颗粒层30的两端。
[0023] 半导体有源层10的材料可以为硅(Si)、锗(Ge)或铟镓砷(InGaAs)至少一种。当然，半导体有源层10也可以为其他半导体材料，半导体有源层10的材料可以实际情况进行选择。
[0024] 纳米孔阵列层20的结构如图2所示。纳米孔阵列层20的材料可以为金、银或铜。纳米孔阵列层20的纳米孔22的孔径可以为300nm～400nm。在其中一个实施例中，纳米孔阵列层20的纳米孔22的孔径为350nm。
[0025] 纳米孔阵列层20的厚度可以为50nm～100nm。纳米孔阵列层20的厚度为50nm～100nm时，纳米孔阵列层20的透射率较大。纳米孔阵列层20的透射率通过在纳米孔阵列层20的上下两侧设置监视器来测量。纳米孔阵列层20的厚度太小，其和亚微米颗粒层30的耦合作用也会相应减小，从而不利于提高光敏元件100的光电转换效率。然而随着纳米孔阵列层
20的纳米孔的深度的增加，其透射率随之明显下降。由于，纳米孔阵列层20的透射率与纳米孔22周围产生的局域表面等离子体相关联。表面等离子体本质上是倏逝波，倏逝波在传播的过程中随距离变化而发生衰减，而随着孔深的增加，倏逝波到达纳米孔22的出射端需要传输的距离就越远，衰减效果就更加的明显，这就导致了在纳米孔22的出射端能用于耦合辐射光的倏逝波能量下降，由于能量的下降以及耦合辐射作用的减弱使得纳米孔阵列层20的透射率随着厚度的增加而降低。
20的纳米孔的深度的增加，其透射率随之明显下降。由于，纳米孔阵列层20的透射率与纳米孔22周围产生的局域表面等离子体相关联。表面等离子体本质上是倏逝波，倏逝波在传播的过程中随距离变化而发生衰减，而随着孔深的增加，倏逝波到达纳米孔22的出射端需要传输的距离就越远，衰减效果就更加的明显，这就导致了在纳米孔22的出射端能用于耦合辐射光的倏逝波能量下降，由于能量的下降以及耦合辐射作用的减弱使得纳米孔阵列层20的透射率随着厚度的增加而降低。
[0026] 纳米孔阵列层20的相邻的纳米孔22之间的距离可以为0.1nm～200nm。即，相邻的纳米孔22之间的壁厚可以为0.1nm～200nm。纳米孔阵列层20的纳米孔之间的距离变化时，照射到纳米孔阵列层20上的光的透射率也相应变化。当相邻的纳米孔22之间的距离不断增大时，纳米孔阵列层20的透射率先增大，在相邻的纳米孔22之间的距离为100nm时透射率达到最大，而当相邻的纳米孔22之间的距离进一步增大时纳米孔阵列层20的透射率开始逐渐降低。优选的，纳米孔阵列层20的纳米孔之间的距离为100nm。
[0027] 亚微米颗粒层30的材料可以为金、银或铜。
[0028] 请参考图2，亚微米颗粒32随机分布在纳米孔阵列层20的表面。请参考图3，亚微米颗粒层30的亚微米颗粒32包括中心纳米颗粒322和凸出于中心纳米颗粒322表面的多颗周围纳米颗粒324。
[0029] 中心纳米颗粒322的粒径可以为200nm～400nm，周围纳米颗粒324的粒径可以为100nm～150nm。当然，中心纳米颗粒322的粒径以及周围纳米颗粒324的粒径都可以根据实际需要进行调整。
[0030] 亚微米颗粒层30的亚微米颗粒32的粒径可以为300nm～550nm。根据中心纳米颗粒322表面的周围纳米颗粒324的数量不同，亚微米颗粒32的粒径会产生相应的变化。亚微米颗粒32随机分布在纳米孔阵列层20的表面。亚微米颗粒32之间相互分散，具有间隙。
[0031] 相比于球形纳米颗粒，球形纳米颗粒上所有电子振动相位与入射电磁场相同，这种情况下，球形纳米粒子上只存在偶极等离子体振荡模式。而亚微米颗粒由多颗球形纳米颗粒形成，由于结构尺度增大而且在表面引入有微结构，此时，亚微米颗粒表面的高阶等离子体振荡模式被激发，由于沿粒子空间伸展方向上的各点电子的振动在较短入射光作用下相位不一致而产生相位延迟效应，导致高阶等离子体振荡模式的激发波长要小于偶极等离子体振荡模式的激发光。因此，亚微米颗粒的尺寸不断增大的时候，其表面的等离子振荡模式的特征峰也随之不断红移并且展宽，并且产生新的高阶等离子体振荡模式。相比于球形纳米粒子只有偶极等离子体振荡模式，亚微米颗粒除了偶极等离子体振荡模式之外还存在四极和八极等离子体振荡模式。如图4所示，虚线为粒径为100nm的球形银纳米颗粒消光截面积曲线，实线为亚微米银颗粒的消光截面积曲线。亚微米银颗粒由粒径为400nm的中心纳米颗粒和其周围的26颗粒径为100nm的周围纳米颗粒构成。从图中可以看出，亚微米银颗粒的消光截面积明显大于球形银纳米颗粒的消光截面积。消光截面积是吸收截面积和散射截面积之和。
[0032] 阳极40的材料可以为金、银、铜、铂或者其他贵金属材料。阴极50的材料为金、银、铜、铂或者其他贵金属材料。
[0033] 上述光敏元件100，通过将亚微米颗粒结构、纳米孔阵列结构与半导体相结合，当亚微米颗粒被入射光激发时，其内部的自由电子产生的局域表面等离子体共振会使得该亚微米颗粒表面的局域电磁场被极大增强，展现出强烈的表面等离子体共振吸收。由于局域场的增强，从而使半导体表面上的金属粒子能够有效增强半导体的光吸收能力，因此，通过亚微米颗粒结构和纳米孔阵列结构之间的局域表面等离子体共振耦合作用能够使得半导体产生的载流子数量增强，从而有效提高半导体的光电流强度，从而极大的提高该光敏元件的灵敏度。
[0034] 下面通过具体实施例来对光敏元件进行说明。
[0035] 实施例1
[0036] 制备光敏元件Ⅰ，光敏元件Ⅰ包括半导体有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、阳极和阴极。其中半导体有源层的材料为硅。纳米孔阵列层的纳米孔的孔径350nm，纳米孔阵列层的厚度为50nm，相邻的纳米孔之间的距离为100nm。纳米孔阵列层的材料为银。亚微米颗粒层由亚微米银颗粒形成。亚微米银颗粒包括粒径为200nm的中心银纳米颗粒和凸出于中心银纳米颗粒表面上的18颗粒径为100nm的周围银纳米颗粒。阳极和阴极的材料均为银。
[0037] 将波长为700nm～1600nm光线从亚微米颗粒层一侧照射到光敏元件Ⅰ上，光线经过亚微米颗粒层、纳米孔阵列层的纳米孔后照射到半导体有源层表面。通过表面等离子体的作用使得半导体有源层内部产生的载流子增多，从而使得光电流得到增强。光电流的增强倍数如图5所示，从图中可以看出，相比于单纯的半导体有源层的光电流大小，在波长大于1200nm的光照下，光敏元件Ⅰ中的金属微纳米结构的作用使得半导体有源层的光电流强度在波长大于1200nm的光照条件下得到了明显的增强。
[0038] 实施例2
[0039] 制备光敏元件Ⅱ，光敏元件Ⅱ的结构和实施例1的光敏元件Ⅰ的结构基本相同。不同之处在于，光敏元件Ⅱ中纳米孔阵列层的上方层叠的是粒径为100nm的球形银纳米颗粒层，而不是亚微米银颗粒层。
[0040] 将波长为700nm～1600nm光线从球形银纳米颗粒层一侧照射到光敏元件Ⅱ上，得到的光电流的增强倍数如图5所示。从图中可以看出，相比于实施例1，光敏元件Ⅱ中的球形银纳米颗粒也能在波长大于1200nm的光照条件下增强半导体有源层的光电流强度，然而，其增强效果不如光敏元件Ⅰ的亚微米颗粒层好。
[0041] 实施例3
[0042] 制备光敏元件Ⅲ，光敏元件Ⅲ的结构和实施例1的光敏元件Ⅰ的结构基本相同。不同之处在于，光敏元件Ⅲ中纳米孔阵列层的上方层叠的是粒径为200nm的球形银纳米颗粒层，而不是亚微米银颗粒层。
[0043] 将波长为700nm～1600nm光线从球形银纳米颗粒层一侧照射到光敏元件Ⅲ上，得到的光电流的增强倍数如图5所示，从图中可以看出，相比于实施例1，光敏元件Ⅲ中的球形银纳米颗粒也能在波长大于950nm的光照条件下增强半导体有源层的光电流强度，然而，其增强效果不如光敏元件Ⅰ的亚微米颗粒层好。
[0044] 实施例4
[0045] 制备光敏元件Ⅳ，光敏元件Ⅳ和光敏元件Ⅰ的结构基本相同，其不同之处在于，光敏元件Ⅳ没有亚微米颗粒层。
[0046] 将波长为700nm～1600nm光线从纳米孔阵列层的一侧照射到光敏元件Ⅳ上，光线经过纳米孔阵列层的纳米孔后照射到半导体有源层表面。光敏元件Ⅳ的光电流的增强倍数如图6所示，从图中可以看出，光敏元件Ⅳ由于没有亚微米颗粒层，虽然纳米孔阵列层也能增加半导体有源层的光电流强度，但是光敏元件Ⅳ在波长大于1200nm的光照条件下光电流增强效果明显比光敏元件Ⅰ弱。
[0047] 实施例5
[0048] 制备光敏元件Ⅴ，光敏元件Ⅴ包括半导体有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、阳极和阴极。其中半导体有源层的材料为硅。纳米孔阵列层的纳米孔的孔径300nm，纳米孔阵列层的厚度为100nm，相邻的纳米孔之间的距离为100nm。纳米孔阵列层的材料为金。亚微米颗粒层的亚微米颗粒包括粒径为300nm的中心纳米颗粒和凸出于中心纳米颗粒表面上的18颗粒径为150nm的周围纳米颗粒，亚微米颗粒层的材料为金。阳极和阴极的材料均为金。
[0049] 将波长为700nm～1600nm光线从亚微米颗粒层一侧照射到光敏元件Ⅴ上。光敏元件Ⅴ在波长大于1200nm的光照条件下有效增强了半导体有源层的光电流强度。
[0050] 实施例6
[0051] 制备光敏元件Ⅵ，光敏元件Ⅵ包括半导体有源层、纳米孔阵列层、亚微米颗粒层、阳极和阴极。其中半导体有源层的材料为硅。纳米孔阵列层的纳米孔的孔径400nm，纳米孔阵列层的厚度为80nm，相邻的纳米孔之间的距离为200nm。纳米孔阵列层的材料为金。亚微米颗粒层的亚微米颗粒包括粒径为400nm的中心纳米颗粒和凸出于中心纳米颗粒表面上的26颗粒径为100nm的周围纳米颗粒，亚微米颗粒层的材料为铜。阳极的材料为铂，阴极的材料为铂。
[0052] 将波长为700nm～1600nm光线从亚微米颗粒层一侧照射到光敏元件Ⅵ上。光敏元件Ⅵ在波长大于1200nm的光照条件下有效增强了半导体有源层的光电流强度。
[0053] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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