单片集成在光电探测器上的金属纳米光天线的制作方法

本专利属于光电探测器领域，具体是指一种单片集成在光电探测器衬底上的金属纳米光天线。

背景技术：

光天线(Optical Antenna)，是一种可以有效的将自由空间中辐射的能量耦合到亚波长尺度范围内的装置。金属纳米光天线一般是由纳米尺度的金属颗粒 (球形、三角形、棒状等形状)构成的金属/介质结构，入射光与金属纳米结构相互作用时，产生表面等离激元共振，电磁场局域在金属表面形成场增强，在天线的间隙处，由于耦合作用电场得到很大的增强。近几年纳米光天线吸引了众多研究者的目光，在纳米光学成像、近场光学显微镜探针、数据存储、太阳能电池、新型光源等诸多领域展现出潜在的应用前景。

Chi-Yang Chang等人发现在量子点红外探测器背面沉积100纳米厚的Ag 金属膜，剥离形成周期性孔阵列，通过调节孔的大小以及孔的排列周期，激发表面等离激元，可以调节量子点红外探测器对2-14微米范围入射光的透射峰位置，为制造多色红外光电探测器提供了一种思路。Wei Wu等人在量子阱红外探测器表面设计了一种光天线结构。通过这种设计，量子阱红外探测器的响应峰值出现在8.06微米附近，峰值达到7A/W。康冰心等人通过PtSi红外探测器论证了光栅耦合入射光成表面等离子波模式可以提高肖特基势垒探测器的量子效率。将光栅集成到PtSi/p-Si界面上，量子效率在3微米和3.4微米较平坦结构都能提高2.94和2.5倍，而且在3～5微米整个波段平均能提高2倍。

但是，这些光天线结构都是通过电子束光刻或者聚焦离子束刻蚀技术制备的，成本较高并且无法大批量生产。因此，需要一种制备方法简单、成本低、能够大批量生产的纳米光天线结构与制备方法。

技术实现要素：

本专利的目的是提供一种单片集成在光电探测器衬底上的金属纳米光天线。

本专利金属纳米天线结构为：从衬底3自下而上依次是金属纳米球体阵列 2、低折射率覆盖层1；

所述金属纳米球体阵列2中单个球体的直径d是300-500纳米，排列周期 p是700-900纳米，金属纳米球体阵列2的材料选自金、铝和银的一种。

所述的低折射率覆盖层1的折射率在1.3至2.3之间，厚度h是400-600 纳米，低折射率材料选自SiO2、Si3N4和ZnS的一种。

单片集成在光电探测器上的金属纳米光天线的制作工艺：

将金属纳米颗粒粉末混合于酒精溶液中，使用超声方法分散金属纳米颗粒，将衬底3静置于酒精悬浮液中，使金属纳米颗粒自然沉积；沉积完成后使用感应耦合等离子体化学气相沉积法制备低折射率覆盖层1。

本专利的优点在于：

A.该金属纳米光天线结构的透光率极高，使得更多的光可以透过衬底后被探测。

B.该金属纳米光天线的结构紧凑，方便集成，并且响应光谱较宽，可以提升探测器的光吸收性能，增强探测器对入射光的响应，改善量子效率。

C.该金属纳米光天线结构使用了沉积法进行制备，使得制备工艺更简单，制备成本更低。

附图说明

图1为本专利的结构示意图。1是低折射率覆盖层，2是金属纳米球体阵列，3是衬底。

图2为本专利实例一中金属纳米光天线的透过率与入射波长关系图。

图3为本专利实例二中金属纳米光天线的透过率与入射波长关系图。

图4为本专利实例三中金属纳米光天线的透过率与入射波长关系图。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本专利应用于衬底是InP的情况进行详细描述。以下实施例仅用于说明本专利，但不限制本专利的范围。

如图1所示，所述的金属纳米天线结构为：从衬底3自下而上依次是金属纳米球体阵列2、低折射率覆盖层1。

实施例一：

参见图1，作为InGaAs红外探测器的增透层，衬底3是InP，入射光1-1.7 微米，入射角0度。低折射率覆盖层1是SiO2，其厚度是400纳米。金属纳米光天线材料是银，直径是300纳米，周期是700纳米。

在此条件下，短波红外透过率与入射波长关系如图2所示。在1.6μm波长下，透过率92％。

实施例二：

参见图1，作为InGaAs红外探测器的增透层，衬底3是InP，入射光1-1.7 微米，入射角0度。低折射率覆盖层1是Si3N4，其厚度是500纳米。金属纳米光天线材料是金，直径是400纳米，周期是800纳米。

在此条件下，短波红外透过率与入射波长关系如图3所示。在1.6μm波长下，透过率90％。

实施例三：

参见图1，作为InGaAs红外探测器的增透层，衬底3是InP，入射光1-1.7 微米，入射角0度。低折射率覆盖层1是ZnS，其厚度是600纳米。金属纳米光天线材料是铝，直径是500纳米，周期是900纳米。

在此条件下，短波红外透过率与入射波长关系如图4所示。在1.6μm波长下，透过率92％。