一种波长选择性响应的光电探测器

摘要

本发明属纳米光电子学领域，为实现可见‑近红外波段的入射光子选择性探测公开了一种波长选择性响应的光电探测器，沿着光入射方向依次包括透明基底、纳米孔图案化金属薄膜层、光敏半导体材料层、致密金属薄膜层、绝缘保护层、以及分别在纳米孔图案化金属薄膜层和致密金属薄膜层引出的两个引线端；纳米孔图案化金属薄膜层与致密金属薄膜层形成法布里‑珀罗谐振腔。由于纳米孔为对称的阵列结构，使其对入射光子的偏振角度具有不显著的依赖特性，进而使得光电探测器可实现偏振不敏感的波长选择性响应，法布里‑珀罗谐振腔使得目标光子在光敏半导体材料层中光学共振，极大增强了光敏半导体材料层对目标光子的吸收率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对可见-近红外波段范围内的光子具有选择性响应的光电探测器及其制备方法，尤其涉及窄带波段范围内的光谱调控技术，属纳米光电子学领域。

背景技术

透明导电层是一种对一定波段范围内的光子具有较高透光率，同时具有良好导电性的薄膜层。透明导电层被广泛用作太阳能电池、光电探测器、发光二极管、光催化等光电子器件的正面电极。通常，理想的透明导电层需要在尽可能宽的光谱范围内呈现高透明性(即透光率高)和高导电率(即方块电阻很小)。目前，被广泛使用的透明导电材料主要有两类，一是金属掺杂的宽禁带半导体薄膜，如掺铝的氧化锌、掺锡的氧化铟；二是高占空比的金属网状薄膜或超薄的金属薄膜。

然而，用于光通信、光传感、激光测距等领域的光电探测器往往需要前置滤光装置，以实现器件针对单个目标波长或窄波段的光谱具有选择性的响应信号输出。若采用传统的氧化物膜系、高占孔比的金属网或超薄的金属薄膜作为上述领域光电探测器的透明导电电极，则光电器件不仅对目标波长会有响应，对干扰或噪声光波也同样具有响应。为了避免噪声光子的干扰，提高信噪比，外置滤光系统是必不可少的。如此操作，既增加了目标光信号的探测成本，还会增加探测系统的体积，不利于光电探测系统的小型化与集成化应用。

发明内容

本发明为解决现有技术中光电探测器不能自动对可见-近红外波段范围内的入射光子进行选择性识别和输出响应信号的问题。采用的技术方案如下：

一种波长选择性响应的光电探测器，所述的探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括透明基底、纳米孔图案化金属薄膜层、光敏半导体材料层、致密金属薄膜层、绝缘保护层、以及分别在纳米孔图案化金属薄膜层和致密金属薄膜层引出的两个引线端；所述的纳米孔图案化金属薄膜层沉积于透明基底，并呈周期性排列分布；所述的光敏半导体材料层包括：单一的n型掺杂半导体层、单一的p型掺杂半导体层、构筑成p-n结型半导体层、构筑成n-p结型半导体层之一；所述的致密金属薄膜层与光敏半导体材料层形成欧姆接触；当光敏半导体材料层为单一的n型掺杂半导体层或单一的p型掺杂半导体层时，所述的纳米孔图案化金属薄膜层与光敏半导体材料层形成肖特基接触；当光敏半导体材料层为构筑成p-n结型半导体层或构筑成n-p结型半导体层，所述的纳米孔图案化金属薄膜层与光敏半导体材料层形成欧姆接触。

优选地，纳米孔图案化金属薄膜层与致密金属薄膜层形成法布里-珀罗谐振腔。

优选地，所述纳米孔图案化金属薄膜层的厚度为50～100nm。

优选地，所述纳米孔图案为三角排列，直径为100～1000nm，纳米孔面积占空比为8％～30％。纳米孔面积占空比定义为π×(半径/周期)

优选地，所述纳米孔图案化金属薄膜层的材质为金、银、铝中任意一种。

优选地，在所述纳米孔图案化金属薄膜层和所述透明基底之间引入厚度为2～5nm的钛或铬，作为纳米孔图案化金属薄膜层与透明基底的粘附层。

优选地，所述透明基底为石英玻璃。

优选地，绝缘保护层为有机硅胶、聚氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯聚醋酸乙烯酯中的任一种。

上述方案中透明基底在整个可见-近红外波段具有超高的光透射率(>98％)，沉积于透明基底的周期性纳米孔图案化薄膜对入射光子具有窄带选择性的透过特性。

通过调控纳米孔的周期和半径，可以调控透过纳米孔图案化薄膜的波段范围及其中心波长，通过优化纳米孔的厚度，可以调控纳米孔图案化薄膜的窄带光透过率的峰值。纳米孔图案化薄膜既可作为导电性能优异的器件电极层，还可以作为入射光子的滤波装置。当光敏材料层为单一的p型或n型半导体材料层时，纳米孔图案化薄膜还与光敏半导体材料层构成肖特基结，进而作为光电探测器的工作结。由于纳米孔阵列为高对称性的结构，使其对入射光子的偏振角度具有不显著的依赖特性，进而使得光电探测器可实现偏振不敏感的波长选择性响应。此外，纳米孔图案化金属薄膜层与致密金属薄膜层形成法布里-珀罗谐振腔，使得选择性透过纳米孔图案化金属薄膜层的目标光子可在光敏半导体材料层中形成光学共振，从而极大增强厚度有限的光敏半导体材料层对目标光子的吸收率。

附图说明

图1：一种波长选择性响应光电探测器的结构示意图；

其中：11透明基底，12为纳米孔图案化金属薄膜层；13为光敏半导体材料层；14为致密金属薄膜层；15为绝缘保护层；16为引线端。

图2：三角排列的纳米孔图案化金属薄膜层的结构示意图；

其中：D为纳米孔直径；P为纳米孔周期；t为纳米孔的厚度。

具体实施方式

为了更清楚地说明本技术方案，下面结合附图及实施例作进一步描述。

实施例一

一种波长选择性响应的光电探测器，如图1所述，所述的探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括透明基底11、纳米孔图案化金属薄膜层12、光敏半导体材料层13、致密金属薄膜层14、绝缘保护层15、以及分别在纳米孔图案化金属薄膜层和致密金属薄膜层引出的两个引线端16；所述的纳米孔图案化金属薄膜层沉积于透明基底，并呈周期性排列分布；所述的光敏半导体材料层包括：单一的n型掺杂半导体层、单一的p型掺杂半导体层、构筑成p-n结型半导体层、构筑成n-p结型半导体层之一；所述的致密金属薄膜层与光敏半导体材料层形成欧姆接触；当光敏半导体材料层为单一的n型掺杂半导体层或单一的p型掺杂半导体层时，所述的纳米孔图案化金属薄膜层与光敏半导体材料层形成肖特基接触；当光敏半导体材料层为构筑成p-n结型半导体层或构筑成n-p结型半导体层，所述的纳米孔图案化金属薄膜层与光敏半导体材料层形成欧姆接触。

优选地，所述纳米孔图案化金属薄膜层的厚度为50～100nm；所述纳米孔图案为三角排列，如图2三角排列的纳米孔图案化金属薄膜层的结构示意图；其中：D为纳米孔直径；P为纳米孔周期；t为纳米孔的厚度；直径为100～1000nm，纳米孔面积占空比为8％～30％。纳米孔面积占空比定义为π×(半径/周期)

优选地，所述纳米孔图案化金属薄膜层的材质为金、银、铝中任意一种。

优选地，在所述纳米孔图案化金属薄膜层和所述透明基底之间引入厚度为2～5nm的钛或铬，作为纳米孔图案化金属薄膜层与透明基底的粘附层。

优选地，所述透明基底为石英玻璃。

优选地，绝缘保护层为有机硅胶、聚氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、乙烯聚醋酸乙烯酯中的任一种。