一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法，属于微纳光学和窄带光电探测器领域。本发明专利技术通过调整介质超表面反射镜的横向参数，能够在不改变其余的参数条件下调整探测器的响应波长，同时集成多个波长的窄带探测单元，每一种窄带探测单元只对特定波长电磁波有较高的响应度，对其他波长的入射光响应度较低，从而实现窄带多色探测。本发明专利技术的窄带光探测器具有较好的角度稳定性，当入射角度小于20

【技术实现步骤摘要】
一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于微纳光学和窄带光电探测器领域，更具体地，涉及一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]窄带光电探测器有广泛的应用领域,如气体探测,特殊爆炸物质识别和光谱分析等。
[0003]光电探测薄膜如胶体量子点薄膜、有机光电薄膜，二维光电材料等,具有响应度高,制备简单等优点。增加光电探测薄膜厚度能增加响应度，同时会增加暗电流,在不增加薄膜厚度的前提下增加光电探测薄膜上的外量子效率有重要意义。
[0004]光学谐振腔能使得谐振电磁波被局域在谐振腔内,将光电探测薄膜放在光学谐振腔内，谐振电磁波在谐振腔内来回反射最终被光电探测薄膜吸收，谐振腔能增加有限厚度光电探测薄膜吸收,进而提高探测器的响应度。同时谐振腔具有波长选择能力,能选择性增强特定波长上光电探测薄膜的吸收,实现窄带探测，将光电探测薄膜放置在光学谐振腔能同时增强响应度和实现窄带探测，这类探测器称为谐振增强光电探测器。
[0005]现有谐振增强光电探测器的反射镜是一般为多层膜DBR反射镜，DBR反射镜在宽波段范围内有较高的反射率，适合作为光学谐振腔的反射镜；但是DBR反射镜的制备工艺复杂，而且不具备调控谐振波长的能力，基于DBR反射镜的谐振增强光电探测器对入射角度敏感。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法，其目的在于解决DBR反射镜的制备工艺复杂，不具备调控谐振波长的能力，且基于DBR反射镜的谐振增强光电探测器对入射角度敏感的技术问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种超表面谐振增强窄带光电探测器，包括：光学窗口片、介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体、光电探测薄膜、读出电极和金属反射镜；
[0008]所述光学窗口片、介质谐振腔腔体、金属反射镜从上至下依次分布；所述介质超表面反射镜、光电探测薄膜从上至下依次嵌入在介质谐振腔腔体内；所述读出电极分布在光电探测薄膜两侧；
[0009]所述介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体和金属反射镜组成光学谐振腔；所述介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，其几何参数满足米氏谐振条件；
[0010]所述光学窗口片，用于透射入射电磁波，使入射电磁波进入光学谐振腔内；
[0011]所述介质超表面反射镜与金属反射镜，共同用于将入射电磁波中谐振波长的电磁波局域在光学谐振腔内来回反射；其中，谐振波长由介质超表面反射镜的横向几何参数确定；
[0012]光电探测薄膜，用于将入射电磁波转换为电信号；
[0013]读出电极，用于将光电探测薄膜产生的电信号转引出到外部电路上。
[0014]进一步地，介质超表面反射镜的折射率是光学窗口片折射率的2
‑
3倍。
[0015]进一步地，介质超表面反射镜为无损耗介质材料。
[0016]进一步地，介质超表面反射镜的反射率在80％
‑
90％之间，反射带宽为谐振波长的0.25倍。
[0017]进一步地，介质超表面反射镜的反射率能使光学谐振腔满足临界匹配条件。
[0018]进一步地，介质超表面反射镜由介质圆柱阵列或多边形阵列构成；其几何参数包括阵列的周期、高度，横向几何参数包括圆柱的直径或多边形的边长。
[0019]进一步地，光电探测薄膜的厚度为10
‑
150nm。
[0020]进一步地，光电探测薄膜位于光学谐振腔中电场强度最强的位置。
[0021]进一步地，金属反射镜在探测波段上的反射率大于98％。
[0022]按照本专利技术另一方面提供了一种上述超表面谐振增强窄带光电探测器的制备方法，包括：
[0023]S1.在光学窗口片上沉积硅、锗、砷化镓或硫系玻璃薄膜；
[0024]S2.通过紫外曝光、电子数曝光或纳米压印对薄膜进行图像化，通过ICP或RIE刻蚀形成介质光学天线阵列；
[0025]S3.使用氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化铝、旋涂玻璃或光刻胶对介质光学天线阵列进行掩埋；
[0026]S4.通过光刻或者热蒸发制备读出电极，通过喷涂、旋涂、喷墨打印或刮涂制备光电探测薄膜；
[0027]S5.低温沉积氮氧化硅、氮化硅、氧化硅或氧化铝，形成介质谐振腔腔体；
[0028]S6.沉积金属反射镜。
[0029]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0030](1)本专利技术通过调整介质超表面反射镜的横向参数，包括圆柱的直径、多边形的边长，能够在不改变其余的参数条件下(包括光学天线阵列的高度、谐振腔的厚度、光电探测薄膜的位置)调整探测器的响应波长，同时集成多个波长的窄带探测单元，每一种窄带探测单元只对特定波长电磁波有较高的响应度，而对其他波长的入射光响应度较低，从而实现窄带多色探测。
[0031](2)本专利技术的窄带光探测器具有较好的角度稳定性，当入射角度小于20
°
，窄带光电探测器对TM偏振态的峰值响应波长不发生改变；超表面反射镜的几何参数满足米氏谐振条件，使其对入射角度变化引入的光程相位变化有补偿效应，从而使谐振增强窄带探测器对TE偏振态的峰值响应波长的角度敏感性较小。
[0032](3)本专利技术使用的介质超表面反射镜可通过一次光刻成型，制备工艺简单。
附图说明
[0033]图1为超表面谐振增强窄带光电探测器示意图；
[0034]图2为超表面谐振增强窄带光电探测器横截面图；
[0035]图3为超表面谐振增强窄带光电探测器中超表面反射镜的反射相位和谐振腔体的反射相位。
[0036]图4为超表面反射镜的反射率以及谐振增强窄带光电探测器的光谱响应度曲线；
[0037]图5为谐振波长以及非谐振波长电磁波入射，光电探测器内部电场分布图；
[0038]图6为谐振增强窄带光电探测器的角度响应图，θ<0表示TE偏振态入射，θ>0表示TM偏振态入射；
[0039]图7为谐振增强窄带多色探测的响应度曲线；
[0040]图8为谐振增强窄带探测的制备流程；
[0041]其中，100表示光学窗口片、200表示介质超表面反射镜、300，500表示介质谐振腔腔体、401表示光电探测薄膜、400表示读出电极，600表示金属反射镜。
具体实施方式
[0042]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]参考图1和图2，本专利技术提供的一种超表面谐振增强窄带光电探测器，包括：光学窗口片100、介质超表面反射镜200、介本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，包括：光学窗口片、介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体、光电探测薄膜、读出电极和金属反射镜；所述光学窗口片、介质谐振腔腔体、金属反射镜从上至下依次分布；所述介质超表面反射镜、光电探测薄膜从上至下依次嵌入在介质谐振腔腔体内；所述读出电极分布在光电探测薄膜两侧；所述介质超表面反射镜、介质谐振腔腔体和金属反射镜组成光学谐振腔；所述介质超表面反射镜为介质光学天线阵列，其几何参数满足米氏谐振条件；所述光学窗口片，用于透射入射电磁波，使入射电磁波进入光学谐振腔内；所述介质超表面反射镜与金属反射镜，共同用于将入射电磁波中谐振波长的电磁波局域在光学谐振腔内来回反射；其中，谐振波长由介质超表面反射镜的横向几何参数确定；光电探测薄膜，用于将入射电磁波转换为电信号；读出电极，用于将光电探测薄膜产生的电信号转引出到外部电路上。2.根据权利要求1所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的折射率是光学窗口片折射率的2
‑
3倍。3.根据权利要求2所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜为无损耗介质材料。4.根据权利要求3所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的反射率在80％
‑
90％之间，反射带宽为谐振波长的0.25倍。5.根据权利要求3所述一种超表面谐振增强窄带光电探测器，其特征在于，介质超表面反射镜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，黎锦钊，刘欢，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：