[发明专利]一种宽带热电子光探测器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽带热电子光探测器件及其制备方法，该光探测器件包括衬底，其特征在于：所述衬底表面依次设置有布拉格光栅、氮化钛薄膜层、金属氧化物层、透明电极和减反射层；其制备方法包括以上各层的制备步骤。本发明的宽带热电子光探测器件及其制备方法具有响应度高、入射光损耗低、工艺简单和普适性强的特点。

技术领域

本发明涉及管探测器件技术领域，具体是指一种宽带热电子光探测器件。

背景技术

热电子光探测器件是一种利用内光电效应产生的热电子来实现亚禁带(尤其是近红外)响应的新型光探测技术，具有探测波长突破半导体禁带宽度限制、有效避免能量弛豫损耗、光电响应速度快、室温工作、光偏振态探测等诸多优点。制约热电子光探测器件大规模应用的主要因素是光电转换效率(响应度)低，这是目前迫切需要解决的问题。

通过采用表面等离激元、光栅等离激元、塔姆等离激元、超表面和微腔效应等光学结构增强金属薄膜的光吸收效率，进而提升器件的响应度是一种常用策略。常见的金属薄膜/布拉格光栅塔姆等离激元结构制备成本低廉、容易实现大规模生产，通过对布拉格光栅结构参数的调节，也可以实现高效的探测波长的调制。该结构提供了有效增强光吸收效率、提升器件响应度的实现途径，然而相应器件往往表现出窄带响应的特性。开发具有宽带响应特点的热电子光探测器件有利于拓宽其在光通信、光催化、太阳电池、光分解水等领域的应用就宽带热电子光探测器件而言，还存在着器件宽带光吸收效率不高、响应光谱范围窄、响应度低等亟待解决的难题。。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带热电子光探测器件及其制备方法，具有近红外宽带高光响应度的特点，采用宽带高反射率的布拉格光栅，提高氮化钛薄膜层的宽带光吸收率，引入减反射层降低入射光损耗，结构简易，易于制备，具有较好的推广应用前景。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种宽带热电子光探测器件，包括衬底，衬底表面依次设置有布拉格光栅、氮化钛薄膜层、金属氧化物层、透明电极和减反射层。

在本发明的宽带热电子光探测器件中，衬底用于支撑热电子光探测器件，布拉格光栅和氮化钛薄膜层用以形成塔姆等离激元增强氮化钛薄膜层光吸收率，氮化钛薄膜层和金属氧化物层形成肖特基势垒，透明电极用于收集热电子，减反射层用以减少入射光损耗。该结构的特点为氮化钛薄膜层在近红外波段具有较高的介电常数，布拉格光栅的宽带高反射率能够增强氮化钛薄膜层的宽带光吸收率并拓宽器件吸收光谱和响应光谱。

进一步地，金属氧化物层为二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或氧化锡薄膜；金属氧化物层厚度为5-50 nm。以上金属氧化物薄膜与氮化钛形成的肖特基势垒低，有利于热电子从氮化钛薄膜层注入到金属氧化物层，提升响应度。金属氧化物层起着输运热电子的作用，而其载流子迁移率低，厚度不宜超过热电子的平均自有程，以免影响输运效率。

进一步地，透明电极为铟锡氧化物、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡；透明电极厚度为20-100 nm。透明电极要求在近红外波段透射率高，导电性能好，这几类材料符合要求。其厚度设置，既保证透明电极能收集热电子又不对入射光产生太大影响。。

进一步地，减反射层为氟化镁、氟化锂或氮化硅；减反射层厚度为50-300 nm。减反射层要求具有比较低的折射率，这几种材料符合要求，减反射层起到光学干涉的作用，其厚度过高或过低均会对于光线透过效果产生影响，如其厚度过高会造成光线透过率过低，若其厚度过低会无法具有减反射的效果。据此，需要控制在50-300nm的合理范围为宜。

进一步地，布拉格光栅周期为3-8；布拉格光栅中心波长为900-1500 nm。光栅周期太小，氮化钛光吸收率不高，而光栅周期太大，增加器件制备复杂程度，并且对氮化钛光吸收率无提升作用。中心波长为900-1500 nm，以覆盖800-2000 nm的响应光谱范围，满足高响应度要求。