[发明专利]一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，所述垂直耦合透明光电探测器包括：探测器和信号读出电路；所述探测器由光敏面、氧化层、金电极、及衬底组成，光敏面由半导体材料制成，待测光源为能量低于半导体禁带宽度的光源；待测光源入射到光敏面上时，通过边界态吸收造成光敏区导纳的变化；信号读出电路以器件导纳作为读出信号，待测光几乎无损耗地穿过所述探测器，从而实现对待测光的非侵入式探测。本发明拓宽了光电探测器的应用场景。

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器。

背景技术

光电探测器被广泛应用于通信、传感、成像等领域。目前市场上常见的光电探测器基于的原理是，光使电子跃迁到导带，从而产生电流；探测器通过测量电流得到对应的光功率。因此传统光电探测器仅可以探测光谱上能量高于材料禁带宽度的波段，测量光谱范围受到禁带宽度的限制。

边界态吸收是一种广泛存在于各种半导体中的吸收现象，其最低探测能量低于禁带宽度。边界态吸收会产生额外的自由电子，从而引起半导体导纳的相应变化，测量导纳的变化可以得出相应的光功率。将边界态吸收原理应用于光电探测器，可以从根本上拓宽光电探测器的可探测波长范围。

传统的光电探测器以光生电流为读出信号。为了获得显著的光生电流信号，需要选用高量子效率的材料，因此只能用于侵入式探测，应用场景受到限制。基于边界态原理的光电探测器由于吸收过程仅存在于器件表面，对材料的量子效率没有限制，因此可以使用对待测光透明的材料，实现光功率的非侵入式探测，从而从根本上拓宽了光电探测器的应用场景。基于表面态吸收的波导集成光电探测器已有广泛研究和探讨，但基于表面态吸收的垂直耦合光电探测器还未有人研制成功。本发明提供了一种垂直耦合的、基于表面态吸收的透明光电探测器，不同于传统的波导集成光电探测器，本发明提供的垂直耦合光功率计在成像、传感、光束特性表征等方面有独特的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，第一，本发明旨在打破当前光电探测器中存在的探测原理对测量光谱范围的限制，开发一种基于边界态吸收的光电探测器，弥补目前市面上的光电探测器测量光谱范围受限的缺陷；第二，打破目前市面上的光电探测器只能实现侵入式探测的限制，开发一种透明的光电探测器，实现光的非侵入式探测，拓宽光电探测器的应用场景，详见下文描述：

一种基于表面态吸收原理的垂直耦合透明光电探测器，所述垂直耦合透明光电探测器包括：探测器和信号读出电路；

所述探测器由光敏面、氧化层、金电极、及衬底组成，待测光源为能量低于半导体禁带宽度的光源；待测光源入射到光敏面上时，通过边界态吸收造成光敏区导纳的变化；

信号读出电路以器件导纳作为读出信号，待测光几乎无损耗地穿过所述探测器，从而实现对待测光的非侵入式探测。

在一种实施方式中，在晶圆上溅射所述金电极，经光刻制作半导体材料的光敏面。

其中，所述信号读出电路由跨阻放大器和锁相放大器组成。所述锁相放大器提供交流驱动电压，电流信号经跨阻放大器放大后输入至锁相放大器的接收端进行信号处理，测得器件的导纳变化；

通过校准过的光功率与导纳变化的关系曲线，计算出器件探测到的光功率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、在本发明之前，光电探测器的探测光谱范围较窄，应用范围受限。本发明可以从根本上拓宽光电探测器的探测光谱范围；

2、本发明大大拓宽光电探测器的使用范围，成本低廉，与CMOS工艺兼容，可以被应用于成像、光斑轮廓检测等各个光学探测领域；

3、本发明工艺简单，适合用于集成电路，可扩展成大规模二维成像阵列，从而可被应用于透明照相机、透明传感器等新一代透明电子器件中；