[发明专利]一种纳米锥光谱分析器件及光谱分析方法

说明书

本发明公开了一种纳米锥光谱分析器件，包括衬底、平放于衬底上的纳米锥台及分布于所述纳米锥台上的一组电极；所述纳米锥台的顶半径记做r1，为入射光入射端口半径；所述纳米锥台的底半径记做r2，为纳米锥台的底端半径，所述纳米锥台的长度记做L；所述顶半径长度r1及底半径长度r2的数值均为数百纳米以内，长度L为数微米长，所述顶半径长度r1至多为底半径长度r2的二分之一。本发明由于其自身结构就能够将不同波长的光约束在不同位置，具备了分光能力，且硅纳米线自身也具有良好的光吸收能力，展示了纳米线自身腔模式色彩分辨能力以及线上集成宽光谱探测的潜力。

技术领域

本发明提供一种利用纳米锥器件结构实现分光探测和光谱分析的方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

在传统的硅工艺中，电荷耦合器件(CCD)色彩探测实现模式中，需要在感光层上覆盖一层滤波阵列才能实现对RGB三原色的选择性识别。主要利用分色镜阵列，也就是传统的R，G，B滤光片，一般四个滤光片组成一组形成一个像素，该层对光谱颜色进行区分，并将不同颜色的光传递到下一层的CCD阵列中，而最底层的CCD阵列层，主要作用是用于感光、存储并转移光生电荷。尽管其器件性能一直有所突破，但仍受制于传统CCD的结构。到目前为止，其集成度与分辨率都己经逼近极限，而且受限于光波衍射效应已经很难再有突破。

纳米线作为光检测器具有广阔的应用前景，具有以形态调节吸收的出色能力。与等离激元相比，硅纳米线(SiNW)具有两个主要优势。首先，由于金属和掺杂半导体中的自由电子密度大，等离子激元通常与高损耗相关，在SiNW中未观察到这种高损耗。其次，与等离子材料不同，SiNW是CMOS兼容的。目前使用较多的方式包括利用径向结方式制备光电探测器，多采用掺杂、涂覆、生长等方式在SiNW外再增加一层已经成径向PN结，或采用纳米线阵列以及其他结构如谐振器、异质结等其他方式，需要较复杂的工艺。而小角度介电锥可以用作完全限制光的光学微谐振器。沿圆锥形表面传播的射线在圆锥体的较窄侧上是有界的，而在其较宽的侧面上是无界的，因此任何不平行于圆锥体轴发射的射线最终都会移动到无穷远处。相反，小角度的介电锥，由于回音壁模式(WGM)效应，可以约束光束在锥内的位置。根据介电锥的这种特性，我们利用锥形SiNW制备光电探测器，由于其自身结构就能够将不同波长的光约束在不同位置，就已经具备了分光能力，而SiNW自身也具有良好的光吸收能力。因此我们认为利用锥形SiNW自身的结构和性质就能够直接制备filter-free的色彩分辨探测器件，展示了纳米线自身腔模式色彩分辨能力以及线上集成宽光谱探测的潜力。

发明内容

本发明的目的是，针对传统CCD的集成度与分辨率都逼近基线，并且受限于光波衍射效应已经难以再进行突破的问题。利用纳米线拥有良好的光吸收能力以及小角度介电锥能够完全限制光的特性，基于传统半导体材料，通过自身结构以及腔模式，在简化工艺流程和器件结构的基础上，制备新型的纳米线光谱分析器件，以实现光电探测器件新的突破。

本发明的技术方案：一种纳米锥光谱分析器件，其特征在于，包括衬底、平放于衬底上的纳米锥台及分布于所述纳米锥台上的一组电极；所述纳米锥台的顶半径记做r1，为入射光入射端口半径；所述纳米锥台的底半径记做r2，为纳米锥台的底端半径，所述纳米锥台的长度记做L；所述顶半径长度r1及底半径长度r2的数值均为数百纳米以内，长度L为数微米长，所述顶半径长度r1至多为底半径长度r2的二分之一。

本发明进一步限定的技术方案为：所述纳米锥台的材料为非晶硅、锗、氧化锌或硫化镉均匀单一的半导体材料。

本发明还保护了一种纳米锥器件的光谱分析方法，采用上述纳米锥光谱分析器件，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在纳米锥台的光谱范围内，沿纳米锥台轴向从尖端耦合入射已确定且不同波长的入射光；

第二步，由于回音壁模式效应，纳米锥台利用自身腔模式，将不同波长的光吸收拘束在纳米锥台内沿轴线方向不同的位置上；