[发明专利]一种单片集成在光电探测器上的金属纳米光天线

说明书

本发明公开了一种单片集成在光电探测器上的金属纳米光天线，从上至下依次是低折射率覆盖层，金属纳米球体阵列和探测器衬底。所述低折射率覆盖层的折射率在1.3至2.3之间，金属纳米球体直径300‑500纳米，周期700‑900纳米。金属纳米天线结构通过光散射与表面局域场增强效应，可以提升探测器的光吸收性能，增强探测器对入射光的响应，改善量子效率，并且制备工艺简单，制备成本低。

技术领域

本发明属于光电探测器领域，具体是指一种单片集成在光电探测器衬底上的金属纳米光天线。

背景技术

光天线(Optical Antenna)，是一种可以有效的将自由空间中辐射的能量耦合到亚波长尺度范围内的装置。金属纳米光天线一般是由纳米尺度的金属颗粒(球形、三角形、棒状等形状)构成的金属/介质结构，入射光与金属纳米结构相互作用时，产生表面等离激元共振，电磁场局域在金属表面形成场增强，在天线的间隙处，由于耦合作用电场得到很大的增强。近几年纳米光天线吸引了众多研究者的目光，在纳米光学成像、近场光学显微镜探针、数据存储、太阳能电池、新型光源等诸多领域展现出潜在的应用前景。

Chi-Yang Chang等人发现在量子点红外探测器背面沉积100纳米厚的Ag金属膜，剥离形成周期性孔阵列，通过调节孔的大小以及孔的排列周期，激发表面等离激元，可以调节量子点红外探测器对2-14微米范围入射光的透射峰位置，为制造多色红外光电探测器提供了一种思路。Wei Wu等人在量子阱红外探测器表面设计了一种光天线结构。通过这种设计，量子阱红外探测器的响应峰值出现在8.06微米附近，峰值达到7A/W。康冰心等人通过PtSi红外探测器论证了光栅耦合入射光成表面等离子波模式可以提高肖特基势垒探测器的量子效率。将光栅集成到PtSi/p-Si界面上，量子效率在3微米和3.4微米较平坦结构都能提高2.94和2.5倍，而且在3～5微米整个波段平均能提高2倍。

但是，这些光天线结构都是通过电子束光刻或者聚焦离子束刻蚀技术制备的，成本较高并且无法大批量生产。因此，需要一种制备方法简单、成本低、能够大批量生产的纳米光天线结构与制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种单片集成在光电探测器衬底上的金属纳米光天线。

本发明金属纳米天线结构为：从衬底3自下而上依次是金属纳米球体阵列2、低折射率覆盖层1；

所述金属纳米球体阵列2中单个球体的直径d是300-500纳米，排列周期p是700-900纳米，金属纳米球体阵列2的材料选自金、铝和银的一种。

所述的低折射率覆盖层1的折射率在1.3至2.3之间，厚度h是400-600纳米，低折射率材料选自SiO₂、Si₃N₄和ZnS的一种。

单片集成在光电探测器上的金属纳米光天线的制作工艺：

将金属纳米颗粒粉末混合于酒精溶液中，使用超声方法分散金属纳米颗粒，将衬底3静置于酒精悬浮液中，使金属纳米颗粒自然沉积；沉积完成后使用感应耦合等离子体化学气相沉积法制备低折射率覆盖层1。

本发明的优点在于：

A.该金属纳米光天线结构的透光率极高，使得更多的光可以透过衬底后被探测。

B.该金属纳米光天线的结构紧凑，方便集成，并且响应光谱较宽，可以提升探测器的光吸收性能，增强探测器对入射光的响应，改善量子效率。

C.该金属纳米光天线结构使用了沉积法进行制备，使得制备工艺更简单，制备成本更低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。1是低折射率覆盖层，2是金属纳米球体阵列，3是衬底。

图2为本发明实例一中金属纳米光天线的透过率与入射波长关系图。