[发明专利]基于超表面的超宽带随机光谱场效应管

说明书

本发明公开了一种基于超表面的超宽带随机光谱场效应管，由下至上依次为导电衬底、氧化物绝缘层、掺杂金属的介质薄膜层；介质薄膜层上设有随机光谱吸收器和位于所述随机光谱吸收器两侧的源极、漏极；导电衬底作为栅极；通过调制随机光谱吸收器的透射光和反射光的相位，使得透射光和反射光的相位差之和ψ＝mπ，且随机数m随波长在1‑2范围内随机变化时，能够产生吸收率随波长在最大值和最小值之间随机波动的光谱曲线。本发明提供的超宽带随机光谱场效应管的工作波长范围覆盖近紫外光、可见光、近红外和部分中红外，即波长为0.3‑3.6微米；数值孔径可达0.9；且对可正交分解的两个偏振光具有几乎相同的吸收光谱曲线。

技术领域

本发明属于光电传感器、半导体领域，涉及一种基于超表面的超宽带随机光谱场效应管。

背景技术

光谱技术起始于20世纪80年代，经历了从最初的多波长测量到现在的成像光谱扫描，从光学机械式扫描到点面阵列推扫的发展阶段。根据工作原理的不同，高光谱遥感相机大致可分为扫描式相机和快照式相机(Snapshot)。扫描式相机根据扫描的方式，可分为点扫描(Whiskbroom)，线扫描(Pushbroom)，光谱扫描(Staring)。2000年美国国家航天局NASA和2011年我国装载在卫星上的高光谱相机均为扫描式相机，通过使用棱镜或其他分光元件，增加高光谱工作的波长范围，虽然目前均可以达到0.3-2.5微米的工作波长，但是需要一个波长一个波长地进行扫描，因此这不仅增大了高光谱相机的重量，还增加了图像信息收集的时间。当我们将扫描式高光谱相机装在无人机上进行平扫时，无人机的飞行速度会受到上述两个原因的影响不能过快，从而减少巡航距离和时间。而快照式高光谱相机多是由光学滤波片和图像传感器集成的光学系统，就像生活中常用的商业相机一样，便携且可以进行实时的拍照。但是缺点就是工作波长受到图像传感器的限制，目前尚未有能够同时在紫外光、可见光、近红外及部分中红外波长工作的图像传感器。因此宽带图像传感器成为一个新兴研究领域，不少课题组采用微纳光学原理设计了宽带吸收器以延长图像传感器的光谱响应波长，但是目前工作波长可达0.3-3.6微米的，且在上述波长的TE、TM偏振光下保持吸收光谱基本不变的吸收器尚不存在。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于超表面的超宽带随机光谱场效应管，解决了传统半导体材料在部分工作波长透射率过大、吸收率过小而导致工作波长范围太小的问题，以及传统高光谱窄带滤波器易受入射角度影响，而导致此类光谱相机数值孔径太小的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于超表面的超宽带随机光谱场效应管，由下至上依次为导电衬底、氧化物绝缘层、掺杂金属的介质薄膜层；所述介质薄膜层上设有随机光谱吸收器和位于所述随机光谱吸收器两侧的源极、漏极；所述导电衬底作为栅极；

所述随机光谱吸收器包括第一金属层，所述第一金属层上开有正六边形阵列排布的纳米孔，形成表面等离子体激元SPP；每个纳米孔中均依次填充介质层形成介质纳米碟，填充第二金属层形成金属纳米碟；所述金属纳米碟形成局部表面等离子体LSP；

通过调制所述随机光谱吸收器的透射光和反射光的相位，使得所述透射光和所述反射光的相位差之和ψ＝mπ，且随机数m随波长在1-2范围内随机变化时，能够产生吸收率随波长在最大值和最小值之间随机波动的光谱曲线。

进一步地，通过调整所述纳米孔的形状和尺寸、所述介质纳米碟和所述金属纳米碟的厚度，实现对所述随机光谱吸收器的透射光和反射光的相位调制。

进一步地，所述衬底采用掺杂硼的P型硅基，能够增加衬底的导电性。

进一步地，所述氧化物绝缘层采用二氧化硅绝缘层，厚度为10-20纳米。

进一步地，所述介质薄膜层采用掺杂铝的氧化锌薄膜层(简称AZO)，是场效应管中热电子跃迁的通道，厚度为30-50纳米。