[发明专利]基于杂化型等离子共振增强的红外探测器

说明书

本发明属于光电探测和传感技术领域，为解决现有技术中基于金属吸收的光探测器的制备成本偏高、光吸收不高和吸收波段调制困难的问题提出一种基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，利用金属微纳米孔阵列层/半导体薄膜/金属薄膜复合结构构筑基于金属吸收的热电子红外探测器；通过激发顶层金属微纳米孔阵列的局域等离子共振、底金属膜层的表面等离激元，以及将两者耦合起来形成的杂化型等离子共振来极大增加金属对入射光的吸收，并将上下两层金属吸收光产生的热载流子均注入到中间半导体层，从而得到可观的光响应度；通过调控顶层微纳米孔的周期和直径、中间半导体层的厚度和折射率可以实现从近红外到中红外的可调光谱吸收。

技术领域

本发明属于光电探测和传感技术领域，涉及一种红外探测器。

背景技术

红外探测器的发展是红外技术发展的先导，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。近几十年红外技术的应用范围非常广泛，比如侦查、夜视、制导、气象、地貌、环境监测、遥感、热成像、光谱等。随着应用领域的拓宽，人们对红外探测波段范围的需求更高。为推动红外技术发展,欧美等发达国家已率先启动无缝隙频谱波段探测计划，在长波红外/中波红外/可见光/微波等波段探测方面获得了重要进展。然而，高性能的红外光电探测器仍是当前发展的瓶颈。近年来，随着纳米科技与制备工艺的发展，红外探测逐渐朝着纳米结构化方向发展。

在当前主流的光电探测器中，光吸收材料为半导体材料，器件结构包括：光电导型、p-n(或p-i-n)结型、肖特基结型和隧道结型。虽然目前先进的制造技术，可以将半导体层加工成微纳结构，使得基于半导体吸收的探测器的光响应度和等效噪声功率等技术指标相对块体结构具有极大提高，但半导体材料带隙却严重制约了可探测光波的范围。当入射光能量小于所用半导体材料的带隙时，探测器没有光响应；而当入射能量大于该带隙时，探测器虽有响应但不能实现窄带探测和选择性波长的探测。因此，发展区别于基于半导体吸收的新型光探测器件十分必要。

近年来，基于金属吸收的热电子光探测器的相关理论及应用研究引起了越来越广泛的关注，并取得了一些重要成果。2011年F.Wang和N.A.Melosh揭示了由金属-介质-金属多层结构组成的隧道结热电子的收集过程(Nano Letters,2011,11(12):5426–5430)，并建立了对应理论模型。2013年，他们进一步揭示了不同入射光照条件下两金属层之间开路电压的变化情况(Nature Communications,2013，4:1711–1717)，这些研究为基于金属吸收的热电子探测的发展奠定了扎实基础。

基于金属吸收的热电子探测器，其工作结包括两类：隧道结和肖特基结。基于隧道结的热电子探测器，其光响应依靠收集产生于金属并隧穿过中间介质层的热载流子，此时中间介质层的厚度和成膜质量对器件性能的影响极为关键。当介质层的厚度太厚时(如大于10nm),热载流子几乎不能随穿过介质层；而当介质层的厚度太薄时(如小于5nm),介质层难于形成较大面积的连续薄膜层(而是不连续的纳米岛或存在大量纳米孔的薄膜)，导致器件短路而不能工作。基于肖特基结的热电子探测器，在肖特基结界面附近的热电子可较容易地注入至半导体中，而远离结界面的热电子被收集的概率极低。为了提高金属的光吸收和热载流子的收集效率，往往将金属层加工成纳米结构阵列，通过激发局域等离子共振来增加金属吸收和引入光近场效应。若要实现特定窄带的光吸收，需要精确控制金属纳米结构的尺寸、形状和排列，此时这些结构的制备必需依靠高精密的纳米加工技术，此过程耗时、成本高且难于制得大幅面(如厘米级)的器件。

发明内容

本发明为解决现有技术中基于金属吸收的光探测器的制备成本偏高、光吸收不高和吸收波段调制困难的问题，采取的技术方案是：基于杂化型等离子共振增强的红外探测器，所述的红外探测器为复合层式结构，在基底上由下而上依次设置底金属膜层、中间半导体层和顶层金属微纳米孔阵列层；其中底金属膜层和顶层金属微纳米孔阵列层通过导线连接，底金属膜层和中间半导体层上分别引出电极导线。