[发明专利]一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件

说明书

本发明公开了一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。该器件包括绝缘层、半导体材料吸收层、正电极、负电极及二维材料薄膜，半导体材料吸收层呈阶梯阵列结构。有光线入射时，由于二维材料的高透光率，光线进入半导体材料并被吸收，不同波长入射光在半导体材料吸收层中的吸收深度不同，因此，对于特定厚度的半导体材料吸收层，对于不同波长的入射光其吸收量不同，对应可贡献光电流不同。各阶梯单元对应的两端电极之间均施加相同恒定电压，分别读取各阶梯单元黑暗和光照条件下产生的电流信号，取二者之差作为最终光电流信号，与预先标定构建的器件不同阶梯单元下响应度‑波长谱建立线性方程组求解最优解，即可获取入射光谱信息。

技术领域

本发明属于光谱探测技术领域，涉及一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。

背景技术

光谱探测技术在食品检测、物质识别、医药研究、生化检测、环境安防等领域具有广泛的应用，然而现有的主流成熟的光谱检测设备体积较为庞大，缺乏便携性，难以满足现场快检的需求。近年来，也有许多小型化的便携微型光谱检测仪在市场上发展起来，其尺寸相比传统光谱检测仪有了大幅度的减少，但仍然难以达到片上集成的程度。目前商用的微型光谱检测设备本质上依然是通过独立分光光学部件与光电探测器的系统集成实现目的，分光光学系统与光电转换系统相互独立。如今电子产品面临着尺寸更小、集成度更高的市场需求，系统相互独立，光学部件体积微缩化有限的问题，为将来在电子产品中引入光谱探测技术，集成光谱相关功能应用带来了桎梏。

目前新兴的一些基于光子晶体、超表面的光谱探测器件研究，实现了不借助光学元件达到获取波长信息目的的功能，但在结构上，仍然没有改变滤光阵列和探测阵列相互独立的局面，基于纳米线阵列的微型光谱探测器件的研究，结构上实现了滤光探测一体化，然而纳米线制备工艺要求较高，成本较高，为投入工业化量产带来了一定的困难。

因此，探索新的波长信息获取方法、寻求滤光探测一体化的新型光谱探测器件成为当下光谱探测技术领域的一个十分具有理论价值和实用价值的研究方向，是时代发展下的大势所趋，对多色探测、光谱探测、多光谱成像技术领域的发展具有重要意义和推动作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于调控半导体材料吸收层厚度的光谱探测器件，包括绝缘层，在所述绝缘层上表面嵌有阶梯阵列结构的半导体材料吸收层，在相邻阶梯单元间作为隔离的绝缘层上表面设有负电极，在每个阶梯单元的上表面设有正电极，并覆盖有不与所述正电极接触的二维材料薄膜，所述二维材料薄膜同时覆盖相邻的负电极。

进一步地，所述半导体材料吸收层为在较宽光谱范围内具有高光吸收率的体材料，包括硅或锗。

进一步地，所述绝缘层整体为梳齿状结构，各梳齿高度不同。

进一步地，所述阶梯阵列各阶梯单元高度及变化幅度依据器件探测目标波长范围及精度确定。

进一步地，每个阶梯单元为二级阶梯结构，上级阶梯上全部或部分覆盖二维材料薄膜，下级阶梯上设有正电极。

进一步地，所述二维材料薄膜为高透光率的二维材料，包括单层或少层石墨烯、单层或少层过渡金属硫化物或单层或少层过渡金属硒化物。

进一步地，光线从器件上方(即阶梯阵列一面)入射，确保均匀照射到阶梯阵列中各阶梯单元，各阶梯单元对应的两端电极之间均施加相同恒定电压，分别读取各阶梯单元黑暗和光照条件下产生的电流信号，取二者之差作为最终光电流信号。

进一步地，各阶梯单元对应的两端电极之间施加的恒定电压的幅值大小，需保证耗尽区足够大以确保较高的光生载流子分离和输运效率。