一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器

本发明属于光电传感，特别是涉及一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器。

背景技术：

1、光电探测器是收集强弱不同的光信号，再输出相对应的电信号等信息的光电子器件。但随着其应用和规模逐渐成熟，日益扩大，社会对其的需求及功能性等要求也在不断增加。其中，光电探测器收集光信号的这一过程，往往对其性能的好坏有着决定性的影响。在收集过程中，根据光电流的产生机制不同，又可分为两大类，第一类是以光电转换为基础的产生机制，即光跃迁引起的自由载流子的激发，包括光伏效应、光电导效应和光栅压效应都属于第一大类，第二类是由光引起的热效应这一产生机制，包括光热电效应和光热效应。

2、其中，光栅压效应是光电导效应的一个特例。在光照条件下，自由电子-空穴对产生，如果电子或空穴被困在陷阱态，带电的陷阱态可以充当局部浮栅来调制沟道的导电性，从而以这种方式有效的调整电导率，由于解陷过程是缓慢发生的，光生载流子的寿命会普遍较长，进而导致高增益的形成，因此可被用于制备高增益光电探测器。

3、在金属纳米结构中，金属中的电子与入射电磁波发生响应而激发表面等离激元，并在表面等离激元的能量扰动下通过电子跃迁的形式产生热电子，通过这种方法，光信号能够高效地被光电探测器转换成电信号。同时，周期性金属光栅结构补偿了光子和等离激元之间的动量差，并有助于表面等离激元在金属表面更高效地产生和传播。然而，虽然以上研究中能使光吸收率、光响应度等效果达到极高水平，但传统的金属光栅结构中金属层厚度过大、成本较高、不方便制备，限制了热电子注入到半导体中的效率和光电探测器的应用。且没能使光吸收率光响应度同时达到较高水平。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包括：

3、上方硅薄膜、顶部导电电极、金属光栅、钛薄膜、硅基底、底部导电电极；所述钛薄膜、金属光栅、钛薄膜、上方硅薄膜依次设置于所述硅基底上；所述底部导电电极连接于硅基底下方；所述顶部导电电极与所述金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接所述硅基底和所述金属光栅以及所述金属光栅和所述上方硅薄膜。

4、进一步地，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物；金属材料为金、银、铜中的一种；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜、铝；。

5、进一步地，所述底部导电电极的材料为铟、铝中的一种。

6、进一步地，所述硅基底的高度为400nm。

7、进一步地，所述金属光栅厚度为100～600nm，宽度为950nm。

8、进一步地，所述钛薄膜的厚度为1～5nm。

9、进一步地，所述上方硅薄膜、金属光栅和硅基底置于底部导电电极上方。

10、进一步地，所述上方硅薄膜的厚度为50～600nm，所述金属光栅的光栅周期为300～1500nm，优选的，所述金属光栅的光栅周期为1200±300nm，在不同厚度和周期下调控金属光栅的宽度和厚度也可以实现同样或者类似的效果。

11、本发明的技术效果为：

12、本发明的一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，采用金属材料作为吸光层，通过基于双硅层进一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，提高了热电子转移到硅中的收集效率，通过改变金属光栅宽度可调节探测器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。

技术特征：

1.一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，包括：上方硅薄膜(1)、顶部导电电极(2)、金属光栅(3)、钛薄膜(4)、硅基底(5)、底部导电电极(6)；所述钛薄膜(4)、金属光栅(3)、钛薄膜(4)、上方硅薄膜(1)依次设置于所述硅基底(5)上；所述底部导电电极(6)连接于硅基底(5)下方；所述顶部导电电极(2)与所述金属光栅(3)固定连接；所述钛薄膜(4)作为粘附层连接所述硅基底(5)和所述金属光栅(3)以及所述金属光栅(3)和所述上方硅薄膜(1)。

2.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅材质为一种金属或多种金属合金、金属氮化物、金属氧化物；所述的金属光栅中的金属包括：金、银、铜、铝。

3.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述底部导电电极的材料为铟、铝中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述硅基底的高度为400nm。

5.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述金属光栅厚度为100～600nm，宽度为950nm。

6.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述钛薄膜的厚度为1～5nm。

7.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述上方硅薄膜、金属光栅和硅基底置于底部导电电极上方。

8.根据权利要求1所述的基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，其特征在于，所述上方硅薄膜的厚度为50～600nm，所述金属光栅的光栅周期为300～1500nm。

技术总结
本发明公开了一种基于双硅层光栅结构的窄带近红外热电子光电探测器，包括：上方硅薄膜、顶部导电电极、金属光栅、钛薄膜、硅基底、底部导电电极；所述钛薄膜、金属光栅、钛薄膜、上方硅薄膜依次设置于所述硅基底上；所述底部导电电极连接于硅基底下方；所述顶部导电电极与所述金属光栅固定连接；所述钛薄膜作为粘附层连接所述硅基底和所述金属光栅以及所述金属光栅和所述上方硅薄膜；本发明采用金属材料作为吸光层，通过基于双硅层进一步地提高了金的光吸收效率、热电子产生率，提高了热电子转移到硅中的收集效率，通过改变金属光栅宽度可调节探测器的响应波长，进而实现窄带的光电探测。

技术研发人员：张程,龚靖轩,黄亮杰,张文,陈阳,朱鹏,刘景鸽,王长擂,吴绍龙,李孝峰
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14