[发明专利]提升光电探测器光响应的亚波长等离激元微腔光耦合结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电探测器，具体是指光电探测能力得到提升的集成在像元上的采用亚波长等离激元微腔耦合结构的光电探测器。

背景技术

半导体光电探测器是通过半导体材料吸收入射光子形成电子或者空穴跃迁之后改变其导电状态，形成光生载流子诱导的光电流或者光电压来实现对光的探测。一般的光电探测器能够直接接收入射光照射完成光电探测。然而，不断提高光电探测器的性能是人们始终追求的目标。光电探测器的优值因子为探测率，其值直接反映了探测器的性能。探测率直接正比于光响应率，因此，提高光电探测器的光响应率将直接提高器件的探测率。

提高响应率的途径除了改善光电转换材料自身的光电转换效率之外，还能够通过改善光耦合的效率来实现。光耦合的改善提高了入射光子的利用率，使得能够被收集到的入射光子都尽可能多地参与到光生载流子的激发过程中，相应地，能够提高光电探测器的响应率。

普通的未采用光耦合结构的光电探测器受限于光电转换材料的有效转换面积(如p-n结的结区厚度或者光导激活层厚度)和光生载流子的有效输运长度(扩散长度和寿命)，使得入射光子的利用率较低，相当一部分入射光子并未参与到光电转换的过程而是逃逸出探测器。本发明通过设计一种亚波长等离激元微腔耦合结构，能够将入射光子限制在微腔之中，从而抑制了入射光子的逃逸，提高入射光子的利用率，同时通过光场模式设计能够将光子能量进行集聚，能够使光电探测器的光响应率得到极大地提高。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于提升光电探测器光响应的采用亚波长等离激元微腔进行光耦合的结构。

本发明采用的亚波长等离激元微腔进行光耦合的结构，其结构为以入射光经过先后为序依次是：上层金属条块形成的金属光栅层1，光电转换激活层2，下层金属反射层3。

所说的金属光栅层1在一维周期性重复的情况下，为周期为p、线宽为s、厚度为h1的一维周期排列的金属线条光栅；在二维周期性重复的情况下，为两个方向上周期均为p、线宽均为s、厚度为h1的二维周期排列的金属方块形光栅。其材质包括但不限于高导电性的金或者银。为了改善其黏附性，在其与光电转换激活层2之间附加一层厚度为5～30纳米的黏性金属，其材质包括但不限于钛。其周期p、线宽s和厚度h1由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使入射光波能够与金属中电子集体振荡形成的等离激元的局域表面模式(Localized Surface Plasmon,LSP)发生共振耦合，在共振模式的诱导下进入耦合微腔中，形成横向的驻波腔模模式。有限差分时域(Finite Difference Time Domain,FDTD)理论计算给出以下金属光栅的尺寸参数设计范围：①条纹宽度s的数值为探测波长的十分之一到十分之十之间。对于共振耦合模式，金属条纹宽度s与探测波长λ之间满足s＝kλ/2n关系，其中k为共振级数，n为光电转换激活层2中激活材料的折射率，一般值为3-5，取决于光电转换材料的种类，并与层2的厚度相关。对于k＝1，s最小为探测波长的十分之一。在共振级数k>2n时，s最大可到一个探测波长。但k>6后，共振耦合效果将逐渐减弱至接近消失。因此s的最大值不超过探测波长的十分之十。②周期p的数值为探测波长的十分之一到十分之三十。这是因为周期p必须大于条纹宽度s，所以必须大于探测波长的十分之一。但在条纹宽度s不变情况下，增加周期即等同于增加狭缝宽度。当狭缝宽度大于条纹宽度两倍时，理论计算表明共振耦合效果将逐渐减弱到几乎消失。因此周期p的数值最大不超过探测波长的十分之三十。③金属光栅层1的厚度h1的值不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍。这是因为共振耦合条件要求金属光栅层1的上、下表面电磁场之间无相互作用，即要求厚度h1的值不小于2倍的趋肤深度。在光电探测波段，理论给出的电磁波在金属中的趋肤深度d～0.0048·λ^1/2。

所说的光电转换激活层2是指能够吸收入射光并产生光生载流子的半导体光电薄膜材料，由外延生长技术生长在衬底之上，并且通过衬底剥离技术获得的光电转换激活薄膜。在光照下该薄膜中处于基态的载流子吸收光子跃迁到激发态上，形成光生载流子，并通过上、下金属电极之间的电场将光生载流子输运到外电路中，形成光电转换的信号。其厚度h2由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使耦合进入耦合微腔结构中的电磁波所形成的横向驻波模式达到最强。按照等离激元微腔近场耦合要求，h2必须小于所探测入射光的等效光波长，即真空中的光波长除以该层物质的折射率。对于折射率的最小取值为3时，h2应不大于探测波长的三分之一。