[实用新型]一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器

说明书

一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，属于中红外光探测技术领域。本实用新型包括包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。使用该结构制造的红外探测器，光电转换效率大大提升，制备方法简单，与现有硅工艺相兼容，克服传统以碲镉汞、锑化铟等红外探测器持续低温制冷、能耗高和信号弱等问题，运行性价比大幅提高。

技术领域

本实用新型属于中红外光探测技术领域，具体涉及一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器。

背景技术

高性能红外光电探测器是光谱学、遥感、成像以及光通信等多样化光电应用的核心，能够在室温下实现有效的红外光探测，在电子通讯、安防监控、生物医疗、光谱成像等领域具有不可替代的作用；随着光电子技术的发展和对红外探测的日益增长需求，当前红外探测器的重要发展趋势之一是将红外传感材料与传统成熟的硅基芯片电路相互结合，进而实现复杂的信号处理功能；传统的铟镓砷、砷化镓/铝镓砷量子阱和砷化铟/锑化镓超晶格红外探测器存在高质量薄膜制备难度大，与传统的硅基半导体工艺不兼容等问题；以碲镉汞、锑化铟为代表的制冷型红外探测器则由于需要持续低温制冷而导致使用不便，而以热敏电阻式微辐射热计为代表的非制冷型红外探测器响应时间慢，难以满足某些对探测性能要求高的应用场合；因此，无论从基础科学研究以及应用技术的角度，实现兼具高灵敏度、响应速度快、可室温工作、与硅基工艺相兼容的红外光电探测器都具有重要的意义，目前逐渐成为重要的研究领域和科研热点，研究者们逐渐将目光转向新型材料来满足商业应用需求。

等离激元现象是材料中费米能级附近导带上的自由电子在外加电磁场(光)的驱动下，在材料表面发生了集体震荡，产生极化现象，并且将共振状态电磁场的能量有效地转变为局域在材料表面自由电子的集体振动能；常见的贵金属材料的等离激元在可见光波段；石墨烯作为一种新型光电子材料，本身的表面等离激元具有极高的场局域特性，且激发波长集中在红外区域，可以通过控制石墨烯图案的尺寸来调节石墨烯极化激元的局域模式，可以通过局域的表面光场增强光与物质的相互作用。

考虑到单层石墨烯单光吸收率(～2.3％)低，制备的中红外光探测器普遍存在暗电流较大、信噪比较低等不足；利用石墨烯微纳阵列做等离激元增强材料来提高石墨烯薄膜在中红外波段吸收，设计一种新型结构的基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，具有重要的实际应用前景。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种成本较低、与硅工艺相兼容的、基于石墨烯等离激元增强的具有中红外探测功能的光探测器以及制备方法。

本实用新型提供一种基于等离激元增强的石墨烯中红外光探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯微纳阵列和介质层；所述石墨烯微纳阵列和介质层位于二氧化硅层中间位置；所述二氧化硅层和介质层表面覆盖有石墨烯层；所述石墨烯层两侧分别设置有电极一和电极二。

按照本实用新型的中红外光探测器的一优选实施例，

较佳地，所述硅衬底的背面上涂覆有金属层作为背栅。

较佳地，所述石墨烯微纳阵列为周期性排列的纳米带、纳米环或纳米圆盘中的一种。

较佳地，所述石墨烯层的层数为单层。

较佳地，所述石墨烯微纳阵列可以通过化学掺杂来调节石墨烯微纳结构的化学势从而调制其等离子共振吸收的光谱范围。

较佳地，所述介质层为良好绝缘性的材料，阻挡电荷泄露，如六方氮化硼或其他高介电常数金属氧化物材料。

较佳地，所述电极一和电极二为蝴蝶形天线电极，电极一和电极二由金、钛、铬、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合构成。

本实用新型采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：