具有改进的探测结果的光电探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于光谱选择性地探测电磁辐射的光电探测器(1

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的探测结果的光电探测器


[0001]本专利技术涉及一种用于光谱选择性地探测电磁辐射的光电探测器，所述光电探测器具有光电结构元件，所述光电结构元件具有光腔和至少一个设置在所述光腔中的探测单元，并且所述光电结构元件能够实现改善的探测结果。

技术介绍

[0002]用于光谱选择性地探测电磁辐射的光电探测器用于定性地和定量地证明在入射辐射中的特定波长的电磁辐射，在下文中也称为光。在此，所述入射辐射是宽带辐射，其包含多个不同波长的光。这种光电探测器通常具有滤波器或光腔，其能够实现仅特定波长的入射辐射在腔内谐振。在此，所述光腔通过反射镜制成，各反射镜中的至少一个反射镜是半透明的并且各反射镜设置为彼此间隔开距离L。在光腔内，谐振波长的辐射(电磁波)在反射镜之间被多次反射并且增强并且在此穿过光活性层，该光活性层将电磁辐射转换成电功率。这种光电探测器例如在WO2017/029223A1中描述。每个谐振波在光腔内都具有自然数的振荡最大值并且被称为i阶的谐振波，其中，i对应于振荡最大值的数量。所有形成的1阶至n阶的谐振波对光电探测器的电信号做贡献。因此，对谐振波的特定波长的探测仅在对于要探测的波长的有限范围内是可行的或者通过大的外部花费、例如通过连接于上游的滤波器或者对所测量的电信号进行耗费的评估是可行的。
[0003]对于在光腔中的特定波长的探测精度的另一个重要因素是由光腔增强的波长范围的宽度。因为虽然已经上面提到了单个谐振波长，其中，理想地仅这些单个谐振波长形成驻波，故在实际中在光腔中分别增强在单个谐振波长周围的一定的波长范围并且形成驻波。光腔的确定对于给定波长的外量子效率(EQE)的增强近似为一系列超高斯分布或洛伦兹分布，其中，最大值分别位于谐振波长处。谐振波长以光谱的形式绘制，也就是说所述谐振波长可以在光电探测器的增强的程度关于波长的示图中作为峰看出。峰所在的波长范围的宽度被称为峰宽，并且在所述波长范围的范围界限处增强已经达到最大值的一半。由于不再能够将在增强的波长范围内的波长彼此区分，因此峰宽越大，探测越不精确。这通过腔质量Q来描述，所述腔质量近似地计算为峰值波长与峰宽的商。

技术实现思路

[0004]本申请的任务是提供一种用于光谱选择性地探测电磁辐射的具有光腔的光电探测器，所述光电探测器能够实现改善的探测。此外，应提供一种用于探测多个不同波长的电磁辐射的光电探测器的节省空间的结构，该结构允许探测器或光谱仪的微型化。
[0005]所述任务通过一种根据各独立权利要求中任一项所述的光电探测器来解决。有利的进一步改进方案和实施方式包含在各从属权利要求中。
[0006]根据本专利技术的第一方面的用于光谱选择性地探测电磁辐射的光电探测器包含用于探测电磁辐射的第一波长的第一光电结构元件。在此，可以探测在入射到光电探测器上的电磁辐射中的第一波长的单纯的存在或不存在(定性结论)和/或探测在入射的电磁辐射
中的第一波长的辐射的强度(定量结论)。所述第一光电结构元件具有第一光腔和至少一个设置在所述第一光腔中的探测单元。所述第一光腔通过彼此间隔开距离的平行的两个反射镜层形成。对于本申请的所有光腔而言，所述两个反射镜层彼此的间距称为光腔的物理长度、在下文中也简称光腔的长度。第一光腔的长度设计为，使得对于第一波长而言在第一光腔中形成与所述第一波长相配设的i阶的谐振波。在此，对于入射辐射的满足谐振标准的波长与光腔的物理长度的比例一般适用以下关系式：
[0007][0008]其中，L是光腔的物理长度，λ
i
是入射波长，α是入射辐射关于光电结构元件的表面的法线的入射角，入射辐射照射到所述表面上，n是在整个光腔上的和必要时其他位于其间的各层的有效折射率，而i是由入射的波长引起的谐振波的阶数。在此，i是自然数。按照属于第一波长的谐振波的阶数i，光电结构元件也称作i阶的结构元件。
[0009]如果没有另外明确说明的话，在下面的描述中提及“谐振波”时，则分别指的是属于在相应的光电结构元件中要探测的波长的谐振波。
[0010]每个设置在第一光腔中的探测单元都包括一个光活性层。所述光活性层优选在第一光腔的整个横截面上延伸，其中，所述横截面垂直于第一光腔的长度延伸。在此，探测单元的光活性层分别这样设置在第一光腔内，使得谐振波的恰好一个振荡最大值位于所述光活性层内。换句话说：光活性层根据通过要探测的第一波长产生的谐振波所具有的阶数而设置在光腔内。优选地，振荡最大值的位置、即谐振波的电磁场的强度最大值的位置在此关于光活性层的厚度尽可能居中地位于光活性层中，在第一光腔的长度的方向上测量所述厚度。在此，光活性层的层厚度优选设计为，使得谐振波的与位于光活性层中的振荡最大值相邻的波节点不再位于光活性层中。
[0011]根据本专利技术，第一光电结构元件的谐振波的阶数大于1。换句话说：在第一光电结构元件中探测到如下第一波长，该第一波长在第一光腔中形成2阶、3阶、4阶或者更高阶的谐振波，因为光活性层设置在所述谐振波的恰好一个振荡最大值中。
[0012]由于与在现有技术中探测到的一阶的谐振波相比，更高阶的谐振波具有明显更小的峰宽，因此可以实现对不同波长的更精细的区分、即实现光电探测器的更好的光谱分辨率。
[0013]优选地，各探测单元中的至少一个探测单元具有第一电荷传输层和第二电荷传输层，其中，光活性层设置在所述第一电荷传输层与所述第二电荷传输层之间。各个层沿着第一光腔的长度彼此相叠地设置。第一电荷传输层和第二电荷传输层也优选在第一光腔的整个横截面上延伸，其中，第一电荷传输层邻接于光活性层的第一表面，而第二电荷传输层邻接于光活性层的第二表面，并且第二表面与第一表面对置。所述电荷传输层用于改善从光活性层的电荷提取及其向电触点(也称为电极)的输送，所述电触点将在探测单元中产生的电信号进一步输送给适合于对所述电信号进行评估的评估单元。这些电荷传输层特别是在厚度小于10nm的非常薄的光活性层中是有利的并且因此构造为具有大于或等于10nm的厚度。在光活性层较厚时，电荷传输层也可以构造为仅非常薄、例如具有在1nm至5nm的范围内的厚度，由此所述电荷传输层也可以称作注入层或提取层。在两种情况下，电荷传输层不必总是强制性地是掺杂的层。
[0014]所述反射镜层可以构造为例如由银(Ag)或金(Au)制成的高反射的金属层、构造为例如由Ag:Ca制成的半透明的金属混合层或构造为电介质镜(DBR
‑
distributed Braggre flector：分布式布拉格反射器)。在此，反射镜层中的至少一个反射镜层是半透明的，以便允许入射光进入到光腔中，而其他的反射镜层可以是不透明的。这种特性可以例如经由反射镜层的厚度和/或反射镜层的组成部分的材料和混合比例来调节，这对于本领域技术人员是已知的。如果反射镜层由能良好地导电的材料、例如由能导电的氧化物、能导电的有机化合物或金属组成，则反射镜层可以用作电极，以用于将在探测单元中产生的电信号进一步输送给评估单元，所述评估单元适合于对所述电信号进行评估。所述评估单元不是必须为光电探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于光谱选择性地探测电磁辐射的光电探测器(1
‑
8)，所述光电探测器具有用于探测电磁辐射的第一波长的第一光电结构元件(100
‑
106、108)，所述第一光电结构元件具有：
‑
第一光腔，所述第一光腔通过两个彼此间隔开距离的平行的反射镜层(11、11a、11
’
、12、12a)形成，第一光腔的长度(L、La)设计为，使得对于第一波长而言在第一光腔中形成与所述第一波长相配设的i阶的谐振波(13、13a)，和
‑
至少一个设置在第一光腔中的探测单元(21、21a、22、22a、23)，每个探测单元(21、21a、22、22a、23)都包含一个光活性层(210、220、230)，所述光活性层(210、220、230)分别这样设置在第一光腔内，使得所述谐振波(13、13a)的恰好一个振荡最大值位于所述光活性层(210、220、230)内，其中，所述第一光电结构元件(100
‑
106、108)的谐振波(13、13a)的阶数大于1，其特征在于，
‑
在第一光腔中，至少一个光学吸收性的中间层(30、31)分别设置为，使得谐振波(13)的振荡波节位于所述吸收性的中间层(30、31)中，所述吸收性的中间层(30、31)适合于吸收在第一光腔内的特定电磁波的这样多的能量，使得所述特定电磁波被消除，所述特定电磁波的波长不同于与第一波长相配设的谐振波长，和/或
‑
在第一光腔中设置有至少一个光学透明的触点层(50)，所述光学透明的触点层直接邻接于所述至少一个探测单元(21、22)中的一个探测单元，所述光学透明的触点层由能导电的材料制成并且适合于与评估单元导电地连接，所述评估单元适合于对由第一光电结构元件(104)的所述至少一个探测单元产生的电信号进行评估。2.根据权利要求1所述的光电探测器(1
‑
8)，其特征在于，至少一个设置在所述第一光腔中的探测单元(21、21a、22、22a、23)还包含第一电荷传输层(211、221、231)和第二电荷传输层(212、222、232)，在所述第一电荷传输层与所述第二电荷传输层之间设置有所述光活性层(210、220、230)，第一电荷传输层(211、221、231)、光活性层(210、220、230)和第二电荷传输层(212、222、232)沿着第一光腔的长度彼此相叠地设置。3.根据权利要求1或2所述的光电探测器(1、3
‑
8)，其特征在于，设置在所述第一光腔中的探测单元(21、21a、22、22a、23)的数量对应于所述谐振波(13a、13b)的阶数。4.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器(2)，其特征在于，至少一个光学吸收性的中间层(30)设置在所述第一光腔中并且所述至少一个光学吸收性的中间层(30)中的至少一个中间层直接邻接于所述至少一个探测单元(21)中的一个探测单元，所述至少一个光学吸收性的中间层中的所述至少一个中间层由能导电的材料制成并且适合于与评估单元导电地连接，所述评估单元适合于对由第一光电结构元件(101)的所述至少一个探测单元(21)产生的电信号进行评估。5.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器(6)，其特征在于，所述第一光电结构元件(105)具有至少一个外部触点(60)，所述外部触点邻接于所述至少一个探测单元(21、22)中的一个探测单元的外表面，所述外部触点由能导电的材料制成并且适合于与评估单元导电地连接，所述评估单元适合于对由第一光电结构元件(105)的所述至少一个探测单元产生的电信号进行评估。6.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器(2、5、6)，其特征在于，在所述第一光腔中设置有至少一个光学透明的间距保持层(40)，所述间距保持层设置在所述反射镜层
(11、11a、11
’
、12、12a)中的一个反射镜层与相邻于该反射镜层(11、11a、11
’
、12、12a)的探测单元(21、22)之间。7.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器(5、6)，其特征在于，至少两个探测单元(21、22)设置在所述第一光腔中，并且光学透明的间距保持层(40)设置在如下两个探测单元(21、22)之间，所述两个探测单元在所述第一光腔中沿着所述第一光腔的长度彼此相叠地设置。8.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器(7、8)，其特征在于，
‑
所述光电探测器(7、8)包含用于探测电磁辐射的第二波长的第二光电结构元件(107、109)，其中，所述第二光电结构元件(107、109)具有：
·
第二光腔，所述第二光腔通过两个彼此间隔开距离的平行的反射镜层(11b、12b、11
’
、12)形成，第二光腔的长度设计为，使得对于第二波长而言在第二光腔中形成与所述第二波长相配设的j阶的谐振波(13b)，和
·
至少一个设置在所述第二光腔中的探测单元(21b、22b)，每个探测单元(21b、22b)都包含一个光活性层(210、220)，所述光活性层(210、220)分别这样设置在第二光腔内，使得所述谐振波(13b)的恰好一个振荡最大值位于所述光活性层(210、220)内，并且
‑
第一光腔的长度(L
a
)不同于第二光腔的长度(L
b
)，和/或与第二波长相配设的谐振波(13b)的阶数不同于与第一波长相配设的谐振波(13a)的阶数。9.根据权利要求8所述的光电探测器(7)，其特征在于，第一和第二光电结构元件(106、107)沿着与第一光腔和第二光腔的长度(L
a
、L
b
)垂直的方向并排地设置。10.根据权利要求8所述的光电探测器(8)，其特征在于，第一和第二光电结构元件(108、109)彼此相叠地设置，从而第一光腔和第二光腔的长度(L
a
、L
b
)沿着一条共同的线延伸，所述第一光腔和所述第二光腔通过半透明的反射镜层(11
’
)相互连接。...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：塞勒锐科有限公司，
类型：发明
国别省市：