[发明专利]一种纳米多孔氮化铌薄膜光电探测器红外光响应设计方法

说明书

本发明公开了一种纳米多孔氮化铌薄膜光电探测器红外光响应设计方法，包括：使用Bruggeman等效模型将纳米多孔NbN薄膜等效为相同厚度的均匀薄膜，得到纳米多孔NbN薄膜的等效模型；基于纳米多孔NbN薄膜的等效模型，设置纳米多孔NbN薄膜探测器待优化的基本结构，计算加载纳米多孔NbN薄膜的该探测器红外波段的光响应特性；采用粒子群优化算法对加载纳米多孔NbN薄膜光电探测器进行结构设计，得到纳米多孔NbN薄膜的光电探测器。以纳米多孔NbN薄膜的等效模型为基础，可以直接使用经典一维光学薄膜结构的设计方法处理原本的三维探测器结构设计问题，不仅能够很大程度上提高设计效率，同时能够保证较高的计算精度。

技术领域

本发明属于探测器技术领域，涉及一种纳米多孔氮化铌薄膜光电探测器红外光响应设计方法。

背景技术

现代红外光电探测器已经广泛应用于生物医学、安防监控、自主导航和红外遥感等诸多军用和民用领域。从历史上看，每当有一种新型红外光电探测材料被发现和使用，往往就会标志着新型乃至新一代红外探测器的出现。近年来，随着美国普渡大学对基于量子相变(QPT)的弱光探测理论研究的进展，具有QPT特性的量子材料将有望开启光电探测的新途径。

电子科技大学陶伯万研究组通过控制反应离子刻蚀时长的方式来调节纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜上纳米蜂巢孔径的大小，使得纳米多孔NbN薄膜在低温下的电阻呈现明显的超导绝缘相变特性，并指出超导薄膜由超导绝缘态向量子金属态的相变过程为光电探测器的制备提供了一种新的思路。

随着对于纳米多孔超导薄膜物理性质研究的不断深入，其在红外光电探测等领域的应用潜力也逐渐显现，但相比于加载其他已经较为成熟红外光电探测材料的探测器，仍有许多相关的研究工作亟需开展。加载纳米多孔NbN薄膜的新型光电探测器红外波段光吸收率的设计便是其中之一。但纳米多孔NbN薄膜结构本身是具有二维周期性的三维结构，设计时需要建立三维的光响应模型，其建模复杂度较大，因而会导致设计效率的降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米多孔氮化铌薄膜光电探测器红外光响应设计方法，解决了现有技术中存在的建模难度大、设计效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种纳米多孔氮化铌薄膜光电探测器红外光响应设计方法，包括以下步骤：

步骤1、使用Bruggeman等效模型将纳米多孔NbN薄膜等效为相同厚度的均匀薄膜，得到纳米多孔NbN薄膜的等效模型；

步骤2、基于纳米多孔NbN薄膜的等效模型，设置纳米多孔NbN薄膜探测器待优化的基本结构，计算加载纳米多孔NbN薄膜的该探测器红外波段的光响应特性；

步骤3、采用粒子群优化算法对加载纳米多孔NbN薄膜光电探测器进行结构设计，得到纳米多孔NbN薄膜的光电探测器。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：使用Bruggeman等效模型计算纳米多孔NbN薄膜的等效介电常数，将纳米多孔NbN薄膜等效为具有该等效介电常数的相同厚度的均匀薄膜。

光响应特性包括反射、传输、吸收。

步骤2中纳米多孔NbN薄膜的光电探测器的结构包括：Mgo衬底，Mgo衬底上依次设置有纳米多孔NbN薄膜、二氧化硅层、氮化硅层、金层，二氧化硅层、氮化硅层、金层形成光学反射腔，纳米多孔NbN薄膜的孔内填充有二氧化硅。

粒子群优化算法中目标函数为：

上式中，A_1310nm为1310nm处的光吸收率，d₁为Mgo衬底层厚度，d₂为SiO₂层厚度，d₃为Si₃N₄层厚度。