用于检测光子的装置和方法与流程

本发明的实施例涉及一种装置和方法。特别地，它们涉及被配置为检测光子的装置。

背景技术：

光检测器是一种装置，其具有随着光子的入射而改变的可测量的电气特性。例如，光检测器可以将光子通量转换为电流或电压。光检测器可以使用半导体。当入射光子被吸收时，一个或多个电子被提高到高能量水平，在那里它们产生光电流。

技术实现要素：

根据本发明的各种但是未必是全部实施例，提供了一种装置，所述装置包括：半导体；以及不对称电极布置，该不对称电极布置包括第一电极、与跨越所述半导体的一部分的所述第一电极分离的第二电极、以及与至少所述第一电极相关联的至少一个表面等离子体激元(surface plasmon polariton)生成器。

根据本发明的各种但是未必是全部实施例，提供了一种方法，该方法包括：提供不对称电极布置，该不对称电极布置包括第一电极、以及与跨越半导体的一部分的所述第一电极分离的第二电极，在所述第一电极的至少第一区域处提供光耦合器；从所述第一电极的所述第一区域到所述第一电极的第二区域沿着所述第一电极的表面提供导电路径，所述第二区域接触所述半导体。

根据本发明的各种但是未必是全部实施例，提供了一种装置，该装置包括：石墨烯；以及不对称电极布置，该不对称电极布置包括第一电极、与跨越所述石墨烯的一部分的所述第一电极分离的第二电极、以及与至少所述第一电极相关联的至少一个表面等离子体激元生成器。

根据本发明的各种但是未必是全部实施例，提供了一种装置，该装置包括：材料，其具有费密能级和接近费密能级的低密度状态；以及不对称电极布置，该不对称电极布置包括第一电极、与跨越石墨烯的一部分的所述第一电极分离的第二电极、以及与至少所述第一电极相关联的至少一个表面等离子体激元生成器。

附图说明

为了更好地理解有助于理解简要描述的各种实施例，现在通过示例参照附图，其中：

图1说明了装置的示例；

图2说明了装置的另一个示例；

图3说明了装置的另一个示例；

图4A到4C说明了等离子体激元生成器的示例；

图5说明了入射光子和表面等离子体的波矢匹配；

图6说明了装置的另一个示例；

图7说明了装置的另一个示例；

图8说明了不对称第一电极的示例；

图9说明了包括装置的窄带光检测器；

图10说明了包括装置的分析物(analyte)传感器；以及

图11说明了方法。

具体实施方式

附图说明了装置100，其包括：

半导体2和不对称电极布置10，该不对称电极布置10包括第一电极11、与跨越半导体2的一部分的第一电极11分离的第二电极12、以及与至少第一电极11相关联的至少一个表面等离子体激元生成器20。

在以下描述中，描述了装置100的各种示例，其中半导体2是石墨烯。然而，在其它示例中，半导体2可以是不同的半导体。

例如，半导体2可以是二维(2)半导体，诸如石墨烯或二硫化钼(MoS2)。

可替代地，半导体2可以是例如块状半导体或薄膜半导体。示例包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氧化锌(ZnO)。

在一些但是未必是全部示例中，半导体2可以具有低光子吸收性。在一些但是未必是全部示例中，半导体2可以具有高电子移动性。因此，在一些但是未必是全部示例中，半导体2可以具有比5k cm²V^-1s^-1更大的电子移动性和比5％或10％更小的光子吸收性。

图1说明了在横截面中的装置100的示例。在这个示例中，装置100是光电装置，其具有在光子50的存在而变化的电气特性。

装置100包括：石墨烯2和不对称电极布置10，该不对称电极布置10包括第一电极11、与跨越石墨烯2的一部分的第一电极分离的第二电极12、以及与第一电极11相关联的至少一个表面等离子体激元生成器20。

表面等离子体激元生成器20将入射光子50耦合到与第一电极11相关联的表面等离子体。光子-表面等离子体相互作用作为表面等离子体激元传播到石墨烯2，在那里激元以及光子和石墨烯的相互作用发生。

不对称电极布置10导致在石墨烯2的电气特性中的净变化，其可以经由第一电极11和第二电极12来检测。

如2说明了从上面观看的在平面图中的装置100的示例。该装置100可以类似于参照图1先前描述的装置100，并且类似的标记用于表示类似的特征。与图1有关的那些特征的描述也应用于图2中的特征。

在图2中，说明了虚线20，其延伸通过第一电极11、在第一电极11和第二电极12之间的石墨烯2的一部分以及第二电极12。

表面等离子体激元生成器20被配置为生成表面等离子体激元并且将所生成的表面等离子体激元传输给石墨烯2。

为了将所生成的表面等离子体激元传输给石墨烯2，表面等离子体激元生成器被配置为：在沿着虚线30的方向中提供在至少数微米上的连续等离子体，该虚线30通过第一电极11、石墨烯2和第二电极12。连续的导电材料(诸如金属)可以用于提供连续的等离子体。

图3说明了在侧视图中的装置100的示例。该装置100可以类似于参照图1和/或图2先前描述的装置100。类似的标记用于表示类似的特征。与图1和图2有关的那些特征的描述也应用于图3中的特征。

在图3中，表面等离子体激元生成器20被配置为生成表面等离子体激元并且将所生成的表面等离子体激元从第一区域13传输给第二区域14。

第一区域13是第一电极11的一部分。它没有覆盖在暴露的石墨烯2的上面。

在一些但是未必是全部示例中，第一区域13与石墨烯2没有物理或直接电接触。它没有覆盖在石墨烯2上面。

第二区域14是第一电极11的一部分。第二区域14与石墨烯2直接电接触，并且可以是物理接触。它覆盖在石墨烯2上面。

在这个示例中，等离子体激元生成器20可以被配置为在与线30平行的方向中生成从第一区域13到第二区域14的连续的等离子体，该线30通过第一电极11、石墨烯2和第二电极12。在一些示例中，在第一区域13和第二区域14之间的距离可以是在数微米上。诸如金属的连续的导电材料23可以用于提供连续的等离子体。

图4A到4C说明了等离子体激元生成器20的示例。在这些示例中，等离子体激元生成器20包括与连续的导电材料23组合的光耦合器40。连续的导电材料23是第一电极11的一部分。

沿着第一电极11的连续表面22提供导电路径。如在图3中说明的，导电路径可以从第一区域13延伸到第二区域14。

如在图8中说明的，光耦合器40可以与第一区域13相关联但是与第二区域14不相关联。

在图4A的示例中，光耦合器40包括表面结构25，其在平行于线30的方向中具有周期性。

表面结构25具有周期d nm的重复模式。在这个示例中，表面结构25具有纳米结构并且d<1μm。表面结构25在显著大于它的周期d的范围上是连续的，并且它可以延伸至少数μm。

表面结构25可以由在第一电极11的导电材料23的上表面22中的周期性模式(例如，波动或通道21)形成。

在所说明的示例中，第一电极11的导电材料23的上表面22具有周期性的轮廓调制(modulation)21。

表面结构25的周期性至少在平行于线30的方向中，该线30通过第一电极11、石墨烯2和第二电极12。

在所说明的示例中，表面结构25是光栅。它包括交替的高和低的轮廓部分。在这个示例中，光栅25是有规律的光栅，以及所有高的部分具有相同的尺寸，以及所有低的部分具有相同的尺寸。高的部分和低的部分可以具有相同的尺寸。

高的和低的轮廓部分的边界彼此平行并且正交地延伸到线30。在这个示例中，周期性结构25的重复(周期性)平行于线30。

在图4B和4C的示例中，光耦合器40包括棱镜28。在图4B中，棱镜28接触第一电极11的导电材料23。在图4C中，棱镜28通过非常小的间隙29与第一电极11的导电材料23分离。

如在图5中说明的，表面等离子体激元生成器20将入射光子50与表面等离子体耦合。这是通过将入射光子50的波矢匹配到表面等离子体的波矢实现的。

在图5的简单示例中，波矢被表示为两个成分(a，b)，其中a是平行于由导电材料23的表面22所限定的界面的成分，以及b是垂直于该界面的成分。

如果我们假设导电材料23具有介电常数ε2，以及邻近于该界面的介电材料(例如，空气)具有介电常数ε1，则用于表面等离子体激元和入射光子的耦合的边界条件是：

k1/ε1+k2/ε2＝0

k3²+k1²＝ε1(ω/c)²

k3²+k2²＝ε2(ω/c)²

其中，入射光子具有波矢(k3，-k1)，表面等离子体激元具有波矢(k3，k2)，ω是入射光子的频率，以及c是光速。

表面等离子体激元生成器20被配置为使得能够在入射光子50和表面等离子体之间的波矢匹配。表面等离子体激元生成器20被配置为在至少平行于线30的方向中将动量的成分(波矢)给予入射光子50，线30通过第一电极11、石墨烯2和第二电极12(即，平行于该界面)。

返回参照图3中说明的示例。在这个示例中，通过将表面等离子体激元生成器20与第一电极相关联但是表面等离子体激元生成器20与第二电极12不相关联来实现在第一电极11和第二电极12之间的不对称性。

然而，可以以其它方式来实现在不对称电极布置10中的不对称性。

例如，如果在图6中说明的，第一电极11可以与第一表面等离子体激元生成器20相关联，以及第二电极12可以与第二不同的表面等离子体激元生成器20相关联。

例如，第一表面等离子体激元生成器20可以被配置为选择性地耦合第一频率的光子，以及第二表面等离子体激元生成器20可以被配置为选择性地耦合第二频率的光子。在所说明的示例中，这可以通过使用针对第一表面等离子体激元生成器20和第二表面等离子体激元生成器20的不同周期的光栅25来实现。

图7说明了装置100的示例，其中不对称的电极布置10包括：多个70第一电极11，每个第一电极11与不同的表面等离子体激元生成器20相关联。不同的表面等离子体激元生成器20可以被配置为选择性地耦合不同特定频率的光子。在所说明的示例中，这通过使用针对第一表面等离子体激元生成器20中的每个第一表面等离子体激元生成器20的不同周期的光栅25来实现。

在图7的示例中，第二电极12是通过石墨烯2与多个第一电极11分离的公共电极72。

图8说明了不对称的第一电极11的示例。第一电极包括第一部分13和第二部分14。第一部分13提供以周期光栅25的形式的光耦合器40，其操作作为如参照图4A描述的表面等离子体激元生成器20。第二部分14不提供周期光栅25。它是平的。它操作以将所生成的表面等离子体激元传送给石墨烯2。在这个示例中，第二部分14邻近于石墨烯2，第一部分13不邻近于石墨烯。

在一些示例中，第二部分14的上表面60可以操作作为针对分析物的吸附的基底。

图9说明了窄带光检测器82。取决于实现方式，装置100用于检测特定频率的光子50或特定的多个频率的光子50。

检测器80连接到装置100的该或每个第一电极11和第二电极12，并且检测在石墨烯2的电气特性中的改变。例如，取决于在与该或每个第一电极11相关联的表面等离子体激元生成器20处的正确频率的入射光子50的数量，石墨烯可以产生光电流。通过参照图5描述的边界条件来确定‘正确’频率。

图10说明了分析物传感器94。

取决于实现方式，装置100检测特定频率的光子50或特定的多个频率的光子。

检测器80连接到装置100的该或每个第一电极11和第二电极12，并且检测在石墨烯2的电气特性中的改变。例如，取决于在与该或每个第一电极11相关联的表面等离子体激元生成器20处的正确频率的入射光子50的数量，石墨烯可以产生光电流。通过参照图5描述的边界条件来确定‘正确’频率。

分析物传感器94另外包括在正确频率处的光子50的源90。源90可以是窄带源，诸如激光或可替代地是发光二极管。

当分析物吸附到暴露的石墨烯2和/或邻近于石墨烯2的第一电极11时，在石墨烯2的电气特性随着入射光子如何改变中可以有改变。在电气特性中的改变可以针对分析物的类型和/或浓度被校准。

图11说明了一种方法110，其包括：

在框111处，提供不对称电极布置10，该不对称电极布置10包括第一电极11、以及与跨越石墨烯2的一部分的第一电极分离的第二电极12，

在框112处，在第一电极11的至少第一区域13处提供光耦合器40；

在框113处，从第一电极11的第一区域13到第一电极11的第二区域14沿着邻近于电介质的第一电极11的表面提供导电路径，第二区域14接触石墨烯2；

在框114处，使用第一电极11和第二电极12来检测石墨烯2的电气特性。

从所描述的示例将领会的是，装置10可以包括：石墨烯2；以及不对称电极布置10，该不对称电极布置10包括第一电极11、与跨越石墨烯2的一部分的第一电极11分离的第二电极12，其中第一电极11从第一区域13(其与石墨烯不接触)延伸到第二区域14(其与石墨烯接触)，以及其中在第一区域13处的第一电极11与光耦合器40相关联。光耦合器40可以被配置为将光子耦合到表面等离子体以生成从第一区域13传送到第二区域14的表面等离子体激元。

如本文中使用的‘模块’指单元或装置，其不包括将由终端制造商或用户增加的某些部件/组件。该装置100可以是模块。

词语‘包括’用在这个文档中，其具有包含的含义而没有排除的含义。也就是说，对X包括Y的任何提及指示的是，X可以包括仅一个Y或可以包括不止一个Y。如果旨在使用具有排他含义的‘包括’，则将通过提及“包括仅一个”或通过使用“由…组成”在上下文中清晰地指出。

在这个简要描述中，已经参照了各种示例。与示例有关的特征或功能的描述指示的是，那些特征或功能存在于该示例中。在文本中的词语‘示例’或‘例如’或‘可以’的使用表明(不管是否明确指出)，此类特征或功能存在于至少所描述的示例中(不管是否描述为示例)以及它们可以但是不是必须存在于其它示例中的一些示例中或所有其它示例中。因此，‘示例’、‘例如’或‘可以’指的是在一类示例中的特定实例。实例的属性可以是仅该实例的属性或该类别的属性或该类别的子类别的属性，其包括在该类别中的一些实例但是不是所有实例。

尽管参照各种示例在前述段落中已经描述了本发明的实施例，但是应当领会的是，在不背离如要求保护的本发明的范围的情况下，可以做出针对示例的修改。

在这个文档中的半导体包括带隙(bandgap)半导体(其具有带隙)和非带隙半导体(其不具有带隙)。非带隙半导体包括半金属。在一些但是未必是全部前述示例中，半导体可以是带隙半导体。在一些但是未必是全部前述示例中，半导体可以是非带隙半导体。

半导体材料是具有接近费密能级的电子状态的低密度的材料，以便自由载体的数量非常低而不能屏蔽(screen)在等离子体激元生成器处由接合所生成的收集场。

可以以不同于明确描述的组合的组合来使用在前述描述中描述的特征。

尽管已经参照某些特征描述了功能，但是那些功能可以由其它特征来完成而不管是否描述。

尽管已经参照某些实施例描述的特征，但是那些特征也可以存在于其它实施例中而不管是否描述。

尽管在前述说明中尽力着重于被认为特别重要的本发明的那些特征，但是应当理解的是，申请人要求关于上文中引用的和/或在附图中示出的任何可专利的特征或特征的组合的保护而不管是否已经特定地强调了它们。