一种偏振敏感型光电探测器的制作方法

本发明涉及一种基于金属等离激元结构热电子效应的偏振敏感型光电探测器，用于对光的偏振特性进行高灵敏探测。

背景技术：

偏振是光固有的重要的特性之一，虽然应用广泛，但是其信息的获取仍很困难。这是因为绝大多数的光学传感器对光的偏振特性不敏感，而且光的偏振特性不能够像光强那样可以直接测得，所以获取光的偏振特性需要通过偏振器件对光波进行偏振分析。通过多次测量与偏振信息相关的光强才能推出入射光束的偏振信息，探测过程相当繁琐，系统分立众多，从而使得偏振探测系统向微型化集成化高灵敏度方向发展成为必然趋势。

表面等离激元作为新兴研究课题，近十年的飞速发展，迅速和其他领域交叉渗透，新的研究内容不断出现。当电磁波入射到金属-绝缘体的界面时，电磁波与金属表面自由电子相互作用而使其随着电磁波的振动而振荡，当电磁波的频率等于电子集体振荡的本征频率时，电磁波将被强烈地吸收或者散射，这就是通常说的表面等离激元共振。而且金属纳米结构的等离激元共振除了对入射电磁波具有波长依赖特性，还存在偏振依赖特性。只有特定的入射偏振光才能形成等离激元共振，并产生热电子注入到相邻材料，实现光电转换，所以利用等离激元结构可以实现波长信息探测和偏振信息探测，而且易于集成化，和传统的偏振探测系统相比更加简便地实现对光的偏振特性的光电探测。

同时，针对用等离激元结构实现偏振信息探测，国外研究机构已经做了一些尝试并取得一定进展，如2015年，Vanderbilt大学的Jason Velentine课题组利用手性等离激元结构实现了对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的探测。但是目前用等离激元结构实现偏振信息探测的相关研究还是很少。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明结合等离激元结构和金属背栅场效应晶体管的优点，设计了一种新型的偏振敏感光电探测器，利用金属背栅电极既可以通过加偏置电压放大光电流，又可以使金属背栅结构与金属纳米等离激元结构形成超表面结构，增强光吸收，提高光电响应度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于金属等离激元结构热电子效应的偏振敏感型光电探测器，包括绝缘衬底、金属背栅电极、绝缘隔离层、沟道有源层、漏极、源极和等离激元共振对偏振光敏感的等离激元结构，所述沟道有源层的材料禁带宽度大于入射光的光子能量，等离激元结构为金属纳米结构；所述绝缘衬底、金属背栅电极、绝缘隔离层和沟道有源层由下至上依次设置，漏极和源极设置在沟道有源层上表面的左右两侧，等离激元结构设置在沟道有源层上表面并位于漏极和源极之间；利用等离激元结构中的热电子产生对入射光偏振态的强烈依赖特性来实现光偏振信息的探测。入射光照射到等离激元结构时，由于等离激元结构的等离激元共振激发存在偏振依赖特性，并且入射光的光子能量小于沟道有源层的材料禁带宽度，无法直接激发沟道有源层产生电子空穴对形成光流；因此只能激发等离激元结构共振产生热电子(该热电子能够注入到沟道有源层中)的特定入射偏振光才能形成光流，所以利用等离激元结构可以无需外加光学元件(起偏器/检偏器)即可实现光偏振信息的探测，有利于器件的小型化和集成化。

所述金属背栅电极既可以通过加偏置电压实现场效应晶体管的放大功能，用以放大光电流；又可以与等离激元结构形成超表面结构，用以增强光吸收度、提高光电响应度。优选的，金属背栅电极的材料为金、银或铝等。

优选的，为了使得金属背栅电极与等离激元结构之间形成可靠的超表面结构，要求所述绝缘隔离层和沟道有源层的总厚度不超过100nm。

具体的，在绝缘衬底上表面利用薄膜等工艺制备金属背栅电极，在金属背栅电极上表面利用磁控溅射、等离子增强化学气相沉积或电子束蒸发等工艺制备绝缘隔离层，在绝缘隔离层上表面利用半导体薄膜等工艺制备沟道有源层，在沟道有源层上表面的左右两侧利用薄膜等工艺制备漏极和源极，在沟道有源层上表面、漏极和源极之间利用微纳等工艺制备等离激元结构；所述微纳工艺包括化学气相沉积、原子层沉积、聚焦离子束刻蚀、电子束光刻等工艺。

优选的，所述绝缘衬底的材料为石英石或者蓝宝石。

优选的，所述等离激元结构周期性金属光栅、周期性╋形结构、周期性○形结构或周期性卍形结构等，等离激元结构的材料为金、银或铝等。

一般来说，沟道有源层的可选材料多样，但对不同探测波长，所选选用材料禁带宽度都要大于入射光的光子能量举例来说：当入射光为可见光时，沟道有源层的材料为ZnO或TiO₂等；当入射光光为红外光时，沟道有源层的材料为硅或锗等。

有益效果：本发明提供的基于金属等离激元结构热电子效应的偏振敏感型光电探测器，具有如下优势：1、利用等离激元结构可以无需外加光学元件(起偏器/检偏器)即可实现光偏振信息的探测，有利于器件的小型化和集成化；2、利用金属背栅电极既可以通过加偏置电压放大光电流，又可以使金属背栅结构与金属纳米等离激元结构形成超表面结构，增强光吸收，提高光电响应度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标号：1-绝缘衬底，2-金属背栅电极，3-绝缘隔离层，4-沟道有源层，5-漏极，6-源极，7-等离激元共振对偏振光敏感的等离激元结构。

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于金属等离激元结构热电子效应的偏振敏感型光电探测器，包括绝缘衬底1、金属背栅电极2、绝缘隔离层3、沟道有源层4、漏极5、源极6和等离激元共振对偏振光敏感的等离激元结构7，所述沟道有源层4的材料禁带宽度大于入射光的光子能量，等离激元结构7为金属纳米结构；所述绝缘衬底1、金属背栅电极2、绝缘隔离层3和沟道有源层4由下至上依次设置，漏极5和源极6设置在沟道有源层4上表面的左右两侧，等离激元结构7设置在沟道有源层4上表面并位于漏极5和源极6之间；利用等离激元结构7中的热电子产生对入射光偏振态的强烈依赖特性来实现光偏振信息的探测。

上述结构的制作过程如下：在绝缘衬底1上表面利用薄膜工艺制备金属背栅电极2，在金属背栅电极2上表面利用磁控溅射、等离子增强化学气相沉积或电子束蒸发工艺制备绝缘隔离层3，在绝缘隔离层3上表面利用半导体薄膜工艺制备沟道有源层4，在沟道有源层4上表面的左右两侧利用薄膜工艺制备漏极5和源极6，在沟道有源层4上表面、漏极5和源极6之间利用微纳工艺制备等离激元结构7。

具体的：当入射光为可见光时，沟道有源层4的材料为ZnO或TiO₂；当入射光光为红外光时，沟道有源层4的材料为硅或锗；绝缘隔离层3和沟道有源层4的总厚度为50-100nm；设计优化等离激元结构7是重点，不同的等离激元结构7对不同的偏振光探测效果不同,比如,探测线偏光可以设计周期性金属光栅，可以设计优化结构以实现对不同偏振光的集成探测。

如图2所示，基于金属等离激元结构热电子效应的偏振敏感型光电探测器工作原理为：入射光照射到等离激元结构7时，由于等离激元结构7共振激发存在偏振依赖特性，并且入射光的光子能量小于沟道有源层4的材料禁带宽度，无法直接激发沟道有源层4产生电子空穴对形成光电流；因此只有能够激发等离激元结构7共振产生热电子(该热电子能够注入到沟道有源层4中)的特定入射偏振光才能形成光电流。

热电子的产生是由于等离激元结构7共振将会衰减，衰减有两种方式：一种是辐射衰减形成光子，一种是非辐射衰减。等离激元结构7材料导带中电子得到能量而升高形成热电子，能量合适的热电子将会扩散到金属与半导体界面并注入到相邻的半导体有源层中，这时外部有电路收集就会有光电流产生。通过加偏置电压，使电子在沟道有源层4底部集中传输，放大光电流，提高光电响应度。利用等离激元结构的非辐射衰减产生的热电子实现光电探测，此种对于入射光子的能量要求较低，只需入射光子能量大于金属与半导体之间形成的肖特基势垒高度，而无需高于半导体的禁带宽度即可形成光电流。同时金属背栅电极2既可以通过加偏置电压放大光电流，提高光电响应度，又可以使金属背栅电极2与等离激元结构7形成超表面结构，增强光吸收，提高光电响应度。

实施例一

为实现一种适用于可见光区偏振探测的偏振敏感型光电探测器，选用石英作为衬底，利用磁控溅射在其表面制备铝薄膜背栅电极；在背栅电极上表面利用电子束蒸发的方法制备SiO₂绝缘间隔层；在绝缘间隔层表面上利用磁控溅射制备ZnO薄膜有源层，厚度约为100nm；之后在有源层表面采用热蒸发镀膜工艺制备金薄膜漏极和源极；在源极漏极之间、半导体有源层之上利用电子束光刻和lift-off工艺制备周期性金属光栅等离激元结构。

可见光区的线偏振光入射到周期性金属光栅上，激发等离激元共振之后衰减产生热电子，能量合适的热电子扩散输运到金光栅与ZnO界面，并注入到ZnO中，在源极和漏极之间的偏置电场作用下，热电子向源极运动形成光电流。金属背栅结构与金属纳米等离激元结构形成超表面结构，增强光吸收，提高光电响应度。同时利用场效应晶体管特性，通过加偏置电压放大光电流，这样就会提高探测器件的响应时间和响应度。

实施例二

为实现一种适用于近红外区偏振探测的偏振敏感型光电探测器，选用石英作为衬底，利用热蒸发镀膜工艺制备金薄膜背栅电极；在背栅电极上表面利用磁控溅射的方法制备SiO₂绝缘间隔层；在绝缘间隔层表面上利用等离子体增强化学气相沉积制备Si有源层；之后在有源层表面采用热蒸发镀膜工艺制备金薄膜漏极和源极；在源极漏极之间、半导体有源层之上利用电子束光刻和lift-off工艺制备周期性金属光栅等离激元结构。

近红外区的线偏振光入射到周期性金属光栅等离激元结构上，激发等离激元共振之后衰减产生热电子，能量合适的热电子扩散输运到金光栅与Si界面，并注入到Si中，在源极和漏极之间的偏置电场作用下，热电子向源极运动形成光电流。金属背栅结构与金属纳米等离激元结构形成超表面结构，增强光吸收，提高光电响应度。同时利用场效应晶体管特性，通过加偏置电压放大光电流，这样就会提高探测器件的响应时间和响应度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。