[发明专利]一种响应光谱可调节的光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种响应光谱可调节的新型光电探测器件，可用于动态调节光电探测器的响应光谱范围。

背景技术

光电探测器作为一种将光信号转换为电信号的器件，已经被应用于诸多领域。传统内光电效应光电探测器件基于半导体能带理论，只要入射光子能量大于半导体材料的禁带宽度，就能够激发价带电子至导带，形成光致载流子，产生光电流，实现光电探测，但是基于此种原理的光电探测绝大多数针对探测的波段就是一个宽光谱波段，机制不能实现光谱的精细分辨，而且一旦半导体材料确定就不能够实现响应光谱的调节。目前实现精细光谱分辨和探测的主要方法是利用光学系统首先实现光谱分离，再结合探测器实现光谱分辨探测，使用的光学系统主要由滤波片、光栅等，此种方法虽然可以实现高光谱或者超光谱探测，但是整个系统复杂，体检大，不便于芯片化和集成化，因此急需设计基于新结构或者新原理的响应波段可调节的光电探测器件。

表面等离激元是指介电常数的实部互相反号的两种材料(如常见的金属，电介质材料)，在电磁波照射下，两种材料界面处的电子集体振荡所形成的表面电磁场。等离激元共振的波长主要由金属纳米结构的尺寸结构材料以及周围介电环境决定。因其独特的局域场增强特性，金属纳米结构的的表面等离激元共振特性被广泛的应用与物理生物和化学领域。作为其中一个典型代表，表面等离激元共振非辐射衰减产生的热电子能够注入到相邻半导体被收集产生光电流，实现一种基于金属纳米结构等离激元热电子效应的新型光电探测。

电光晶体或者导电金属氧化物(如氧化铟锡，掺铝氧化锌等)作为一种特殊材料，可以通过外加电压调控材料的折射率(介电常数)，但是将其与等离激元金属纳米结构结合起来，通过调控电压改变金属纳米结构的折射率环境(即可调控等离激元共振波长和热电子产生的波长)，实现调控光电探测器的光谱响应范围的报道还没有，有鉴于此，将电光晶体的折射率可调控性与金属纳米结构等离激元共振衰减产生的热电子结合起来，开发出响应光谱的动态可调节的光电探测器件十分必要。

发明内容

发明目的：为了克服现有光电探测器件响应光谱固定不可调，而且不能单独实现光谱分辨探测，必须与其他光学元器件或系统相结合的缺点。本发明提出一种新型的响应光谱可动态调控的探测器件，利用外加电压改变电光晶体的折射率来调控金属纳米结构的等离激元共振波长，因此可以最终达到调控器件的响应光谱。此种器件结构，无需其他光学元器件或系统，便于微型化和芯片化。

技术方案：

一种响应光谱可调节的光电探测器，包括自下而上设置的绝缘衬底、金属栅极、第一绝缘隔离层以及半导体层，在所述半导体上两侧分别设有金属源极和金属漏极；在所述半导体层上依次设有第二绝缘隔离层及电光晶体覆盖层；所述第二绝缘隔离层及电光晶体覆盖层隔离设置于所述金属源极和金属漏极之间；在所述第二绝缘隔离层上间隔设置有等离激元金属纳米结构；所述等离激元金属纳米结构上端与所述电光晶体覆盖层接触，下端与所述半导体层相接触；在所述电光晶体覆盖层上方两侧设置有用于外接电路的透明引出电极。

所述半导体层的材料为二氧化钛，氧化锌及硅的半导体或者石墨烯、过渡金属硫化物的二维材料。

所述等离激元金属纳米结构的形状为纳米球，纳米棒，纳米三角板，纳米盘或纳米蝴蝶结阵列。

所述等离激元金属纳米结构所采用的金属材料为金、银、铜、铝的金属或由上述金属组成的合金。

所述电光晶体覆盖层的材料为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂的电光晶体或者为介电常数可调节的透明导电氧化物。

所述第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层材料为二氧化硅，三氧化二铝，氮化硅或氟化镁。

所述金属源漏极材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。

所述金属栅极材料选用金、银、铜、铂、钛、镍、钴中的一种或由上述金属组成的合金。

有益效果：本发明将电光晶体这一在外电场作用下折射率发生变化的材料用来调控等离激元金属纳米结构所在的介电环境，利用外加电压调控覆盖晶体的折射率，来改变金属纳米结构的等离激元共振波长，从而调控热电子产生的波长，最终达到调控光电探测器件的响应光谱。无需其他光学元器件或系统，即可实现光电响应光谱的动态调节，便于微型化和芯片化。

附图说明

图1为本发明的横截面结构示意图。

图2为图1的三维结构示意图。