[发明专利]一种具有二次光电响应的红外光电探测器

说明书

本发明公开了一种具有二次光电响应的红外光电探测器，其包括绝缘衬底、金电极、银电极、n型InSe半导体和p型GaSe半导体，本方案的光电探测器的结构为：金电极在绝缘衬底上方，GaSe半导体在金电极上方，InSe半导体在GaSe半导体上方并形成InSe/GaSe异质结，银电极在InSe上方，InSe半导体与GaSe半导体接触形成的InSe/GaSe异质结具有PN结特性，可以形成内建电场以有效抑制探测器的暗电流，InSe半导体和GaSe半导体的光学二阶非线性将本不能被InSe半导体和GaSe半导体吸收的红外光转化为可以被InSe半导体吸收的二次谐波，进而产生光生载流子，进一步在PN结内建电场作用下产生光电流；本方案的探测器具有二次功率系数，可用于超短脉冲宽度测量，超分辨成像，以及超快光电混频信号处理。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种具有二次光电响应的红外光电探测器。

背景技术

光电探测器通过将光信号转变为电信号，在现代社会中有着重要应用。这些探测器的光电流响应(I_ph)与功率(P)存在对应关系：光电流I_ph∝P^α，其中α为对应的功率系数。根据α的不同，探测器的应用场景也有所不同；对于需要确定响应度R＝I_ph/P的应用场合，α值应恒定为1。而对于一些应用场合，如超短脉冲的脉宽测量，通讯信号的光电混频，α应大于1。

目前光电探测器中，α通常小于等于1。对于光伏探测器，其通常采用半导体材料对大于带隙光子的线性吸收来实现光电探测。该原理通过将被吸收的光子转换为电子空穴对，再通过内建电场进行分离和收集。其α值通常为1且其响应度通常不会随着功率而变化。而对于基于光电导效应的探测器，其受限于缺陷俘获以及其他非理想效应，α通常会小于1，其响应度随着功率的增加而减小。

目前，实现红外光电探测主要通过选择相应的窄带隙半导体实现，例如选择带隙为0.66eV的半导体材料锗，当光子能量大于0.66eV(波长小于1878nm)时，入射光可以在材料内部引起光吸收，在此基础上，通过构筑内建电场来实现对光生载流子的收集以及抑制暗电流，由于材料的带隙较小，这类探测器在抑制暗电流时存在困难，同时，由于采用了线性光吸收，这类探测器的功率依赖系数只能小于或者等于1。当带隙大于光子能量时，可以通过非线性光学效应实现亚带隙光电探测。双光子探测被广泛用于实现亚带隙光电探测，在该效应中，两个光子被同时吸收，产生一对电子空穴对，其对应功率系数为2。但是该效应为三阶非线性效应，导致其效率非常低。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种具有二次光电响应的红外光电探测器，解决了现有的光电探测器无法实现功率系数α值恒定为2的高效红外探测的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种具有二次光电响应的红外光电探测器，包括绝缘衬底、金电极、银电极、n型InSe半导体和p型GaSe半导体，n型InSe半导体和p型GaSe半导体之间接触，接触部分形成PN结并位于金电极上方，p型GaSe半导体与金电极接触，银电极与n型InSe半导体接触，金电极加负电压，银电极加正电压，p型GaSe半导体和n型InSe半导体的晶体类型为具有二阶非线性的ε类型。

采用上述技术方案的有益效果为：本方案的光电探测器的工作区域为位于金电极上方的PN区域，该PN中的内建电场可有效抑制暗电流。当红外脉冲光照射于异质结区域时，由于p型GaSe半导体和n型InSe半导体均为二阶非线性效应极强的半导体材料，因此会产生二次谐波，该二次谐波将低能量的红外光子转换为两倍能量的高能量光子，从而可以被n型InSe半导体吸收产生光电响应；由于二次谐波的转换与功率的关系为二次方关系，从而产生的光电响应具有二次功率系数即α＝2。由于二次谐波为二阶非线性效应，其效率远大于三阶非线性效应双光子吸收，因而可以实现更高效的红外探测；同时，由于二次谐波为相干非线性效应，其转换时间在飞秒尺度，因而具有高速探测的潜力。