[实用新型]带有底栅控电极的平面电子发射光探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有底栅控电极的平面电子发射光探测器，可应用于宽光谱高灵敏的光信号探测。 

背景技术

目前常见的光探测器，包括真空光电探测器和半导体光电探测器，其光电转换的工作原理尽管有差异，但是基本上都是针对光的粒子性，即光电材料吸收光子，光子将能量传递给材料内的电子或电子空穴对，在外部电场或内建电场的作用下形成光生电子逸出或光生电流。从光电效应理论来看，现有的光电探测机制与光的波动性没有关联，或无法使用波动机制来进行解释，因而也无法利用光波的电磁场特性实现光探测。另外，从爱因斯坦的光电效应理论看，现有光电探测器的应用中光电流的产生与入射光的频率有关，即对于特定的光电转换材料，入射光的频率必须满足材料的特征频率要求才能完成有效光电转换，因此传统的光探测器都有明显的波长选择性，即波长窗口特征。 

具有低逸出功的某些冷阴极材料以及某些纳米尺度结构在电场作用下其表面势垒被压缩，内部的费米能级电子发生隧穿并在其表面附近的自由空间内形成电子云，如施加加速电场，电子会向收集极定向运动，形成电流。电流的大小与施加在材料表面的电场大小有关， 满足福勒诺德海姆公式。显然，作为光波重要分量的电场与上述的冷阴极或纳米尺度结构作用后，也会产生对应的场发射电流，且电场的强度与光强是有直接关系的，因此在收集极上的电流对应了入射的光强大小。很显然，上述的光电转化过程充分利用了光的波动性或电场特性。从场发射理论来看，电子逸出情况与入射光场的波长并没有紧密联系，这在一定程度上可以绕开了以往光电探测器所呈现的波长选择性的壁垒。另外，如电子发射体和电子收集极之间的距离小于平均电子自由程（1nm～10nm），器件工作环境的真空水平可以为亚真空，这大大降低了器件制备和封装的工艺难度。 

发明内容

本发明提出了基于光-场电子发射的光探测器，该器件主要利用光的波动性或电场特性进行光电转换。传统的光电探测器中，主要是利用了光的粒子性，即光子携带能量激发光电探测材料内的激子或能级上的电子，形成光电流，实现光的探测，但其很多机制无法用光的波动性解释，且光电流大小与光的频率相关，这使得绝大多数传统光探测器都具有波长选择性，探测范围受限。本发明的特点在于利用光的波动性（物理上光具有波粒二像性），当光照射发明中提出的电子发射体后，光波中电场分量可使发射体的表面势垒下降，其内部的费米能级电子逸出到自由空间形成电子云，并在偏置/加速电场作用下向收集极运动，形成光电流，实现了光的探测。在我们的方案中，发射电子数目与入射光电场场强之间满足福勒-诺德海姆公式，电场场 强与光强有关，而传统光探测器的光电流与光的频率有关，即波长选择性，这正是本发明可以绕开的。本发明中的器件设计上考虑采用低逸出功材料作为电子发射极，并降低收集极和电子发射极的间距，最小可至大气中的电子平均自由程（～10nm），平面型电子发射体和电子收集极之间的距离小于平均电子自由程，器件封装内的真空水平可以为亚真空，从而降低了器件制备和封装的工艺难度。 

一种带有底栅控电极的平面电子发射光探测器，利用光的电场特性和隧穿电子发射来实现光电转换和光信号探测。该带有底栅控电极的平面电子发射光探测器，由衬底（1）、平面型电子发射体（2）、底栅控电极（3）、电子收集极（4）、SiO2绝缘隔离层（5）、真空封装套件（6）和入射窗（7）构成。 

在衬底（1）上利用热蒸发等薄膜工艺制备金属底栅控电极（3），电极材料可为贵金属材料或普通金属材料，在其上方利用电子束蒸发、等离子增强化学气相沉积或磁控溅射等方法制备SiO₂绝缘隔离层（5），在隔离层的上方同样采用薄膜工艺制备电子收集极（4），与电子收集极（4）相对的位置制备平面型电子发射体（2），两者之间的距离小于10nm，真空封装套件（6）和入射窗（7）将其他组件封装在内。入射光由入射窗（7）进入，在入射光的电场分量作用下，具有低逸出功的平面型电子发射体（2）内的费米能级电子发生隧穿效应，在其外表面形成电子云，并在施加在底栅控电极（3）和电子收集极（4）上的偏置电压的作用下向收集极运动，隧穿电流大小与入射光电场分量大小有关,而入射光强与电场分量模的平方成正比,因 此隧穿电流反映了入射光的参数,实现了有效的光探测。 

附图说明

图1是本发明的带有底栅控电极的平面电子发射光探测器结构示意图。 

图中标号：1-衬底，2-平面型电子发射体，3-底栅控电极，4-电子收集极，5-SiO₂绝缘隔离层，6-真空封装套件，7-入射窗。