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1、10申请公布号CN104064620A43申请公布日20140924CN104064620A21申请号201410243025422申请日20140603H01L31/0920060171申请人苏州大学地址215000江苏省苏州市工业园区仁爱路199号72发明人李孝峰吴凯吴绍龙杨阵海李珂74专利代理机构北京康盛知识产权代理有限公司11331代理人伊美年54发明名称一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器57摘要本发明公开了一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底，其特征在于所述基底上由下而上依次设置下金属膜层、下电介质隔层、上金属膜层、上电介质隔层和金属光栅层，还包括。
2、上、下金属膜层电极导线，分别连接至上、下金属膜层上作为探测器的输出端口。因本设计中作为核心的金属光栅层会带来光栅层的局域陷光效应，以及上、下金属膜层光吸收的明显差异导致的电子流隧穿效应，故本发明的这种光电探测器同时具备体积小纳米量级、耗材少、结构相对简单、易于加工、光谱响应宽、探测角度大等特点。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图4页10申请公布号CN104064620ACN104064620A1/1页21一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底11，其特征在于所述基底11上由下而上依次设置。
3、下金属膜层12、下电介质隔层13、上金属膜层14、上电介质隔层15和金属光栅层16，还包括上、下金属膜层电极导线102、101，分别连接至上、下金属膜层14、12上作为探测器的输出端口。2根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述金属光栅层16的厚度为1050NM，周期为5001000NM，光栅占空比为0206。3根据权利要求1或2所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述金属光栅层16的材料选自金、银、铝之一。4根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述上电介质隔层15的厚度为1030。
4、NM，而下电介质隔层13的厚度为38NM。5根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述上金属膜层14的厚度为2030NM，而下金属膜层12的厚度为4050NM。6根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强光电探测器，其特征在于所述基底的厚度为3003000M。7根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述下金属膜层12和上金属膜层14的材料均选自金、银、铝之一。8根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述下电介质隔层13的材料选自氧化铝AL2O3、氧化镁MGO。
5、、二氧化钛TIO2、五氧化二铌NB2O5、氧化铪HFO2和二氧化硅SIO2之一。9根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述上电介质隔层15的材料选自二氧化硅SIO2和氧化铝AL2O3之一。10根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其特征在于所述基底材料选自聚甲基丙烯酯甲酯PMMA、聚酯薄膜PEP和石英之一。权利要求书CN104064620A1/5页3一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器技术领域0001本发明涉及一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，属于探测和传感技术领域。背景技术0002将入射光。
6、子转化为电子是光电探测器件的主要工作过程，在现代光电探测器件的发展过程中，器件体积越来越小，所使用的原材料也朝着来源广、无毒害等方向发展，并且器件的灵敏度、响应度等也在逐渐提升。传统光电探测器件是利用光照半导体材料，从而在其中产生载流子，通过收集光生载流子产生光电流来探测入射光的强度。0003在当前主流的光电探测器中，半导体材料的厚度虽然可降至微米量级，但在耗材成本、制造工艺等方面还存在着诸多限制，而半导体材料对应的有限吸收带宽也是制约其广泛应用的主要因素。因此，发展区别于半导体技术的新型光电探测器件具有很好的应用前景。0004本发明提出一种基于表面等离激元耦合的金属绝缘体金属MIM的亚波长光。
7、电探测器，是利用金属光栅产生的表面等离激元的局域陷光效应，使大部分的入射光被限制在金属光栅周围，所以光栅周围的金属可吸收大部分入射光，并在金属内部激发热电子。热电子先后经历在金属中的传输、在金属绝缘体之间的隧穿、被电极收集等过程，在上下金属电极之间形成电流，为探测器提供电流信号，从而可评估入射光。0005近年来，对热电子相关理论及应用的研究引起了越来越多研究人员的兴趣，并取得了一些重要成果。如FWANG和NAMELOSH揭示了金属介质金属的亚波长结构在光照射下热电子的收集过程NANOLETTERS,2011,111254265430以及上下表面金属板之间开路电压随不同入射光照条件下的变化情况N。
8、ATURECOMMUNICATIONS,2013，417111717，HCHALABI等对热电子光电探测器的理论及实验研究NANOLETTERS,2014,14313741380，为纳米尺度MIM光电探测器的开发奠定了良好的基础。0006对于传统半导体的探测器，当前理论及技术存在的问题有1设计的光电探测器体积比较大，不利于集成和降低原材料成本；2探测器的光谱响应范围不够宽，只是在比较窄的光谱范围内响应比较好；3所选用的大部分光电敏感材料要么具有毒害性，要么属稀有材料对应成本高。发明内容0007本发明目的是针对背景中提到的现有技术的不足，提供一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，该器。
9、件同时具备体积小纳米量级、所需耗材少、结构相对简单、易于加工、光谱响应宽、探测角度大等特点。0008本发明的技术方案是一种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，包括基底，其特征在于基底上由下而上依次设置下金属膜层、下电介质隔层、上金属膜层、上说明书CN104064620A2/5页4电介质隔层和金属光栅层，还包括上、下金属膜层电极导线，分别连接至上、下金属膜层上作为探测器的输出端口。0009进一步的，本发明中所述金属光栅层的厚度为1050NM，周期为5001000NM，光栅占空比为0206。0010更进一步的，本发明中所述金属光栅层的材料选自金、银、铝之一。0011进一步的，本发明中所述。
10、上电介质隔层的厚度为1030NM，而下电介质隔层的厚度为38NM。0012进一步的，本发明中所述上金属膜层的厚度为2030NM，而下金属膜层的厚度为4050NM。0013进一步的，本发明中所述石英基底的厚度为3003000M。0014进一步的，本发明中所述下金属膜层和上金属膜层的材料均选自金、银、铝之一。0015进一步的，本发明中所述下电介质隔层的材料选自氧化铝AL2O3、氧化镁MGO、二氧化钛TIO2、五氧化二铌NB2O5、氧化铪HFO2和二氧化硅SIO2之一。0016进一步的，本发明中所述上电介质隔层的材料选自二氧化硅SIO2和氧化铝AL2O3之一。0017进一步的，本发明中所述基底材料选。
11、自聚甲基丙烯酯甲酯PMMA、聚酯薄膜PEP和石英之一。0018需要说明的是本发明中的金属光栅层为周期性排列的一维结构，具有一定的宽度、周期和占空比占空比宽度/周期，本申请统一使用周期和占空比来表示，不再使用宽度的概念。本次发明对于不同光谱段的探测是通过改变器件的结构参数主要是金属光栅的参数来实现的，金属光栅的周期、厚度、宽度宽度除于周期为占空比等都影响着表面等离激元激发的光谱范围。所以，通过调整这些参数来探测不同光谱波段的光。0019对上、下表面金属膜层与下电介质隔层接触面的解释本次发明的光电探测器的工作原理是基于表面等离激元效应激发的热电子隧穿过程，而金属与电介质的接触势垒对热电子的穿透概率。
12、具有决定性的作用。器件制备工艺、材料的选取等都会影响接触势垒，所以本次发明中接触势垒采用的都是理想的估计值。0020本发明设计的器件主要由金属光栅介质膜金属膜介质膜金属膜MIMIM组成。0021此光电探测器的工作机制是上表层的金属光栅在入射光照射下产生局域表面等离激元效应，将绝大部分入射光限制在光栅附近；同时，上金属膜层吸收光子，金属内部的自由电子吸收光子后变为热电子，热电子在金属内部能传输一段距离即切肤深度，也称为电子的平均自由程，一般为几十纳米，由于上金属膜层的厚度也为数十纳米，所以热电子穿过金属及电介质到达下金属膜层就具有一定的概率，从而形成电子向下漂移的过程。下金属膜层同样重复着上金属。
13、膜层的过程。然而，入射光透过上表面金属后，仅有很少一部分光能够被下表面金属吸收，所以上、下金属膜层吸收光的明显差异导致了对向热电子流的差异，从而形成净光电流，此电流可用于光电探测。此外，为增强该光电探测器的灵敏度和响应度，在上、下金属膜层加上一定的偏置电压，可增加上表面热电子向下注入的概率，并抑制下表面的热电子向上注入的概率。0022本发明的优点是说明书CN104064620A3/5页500231本发明中的光电探测器的光谱响应宽，它不受传统半导体中禁带宽度的影响，只需改变金属光栅的结构参数即光栅的周期和占空比，或者选择合适的金属电介质接触材料即选择合适的上、下表面金属与下电介质隔层材料，接触层。
14、面即为下金属膜层下电介质隔层，下电介质隔层上金属膜层之间的接触，详见实施例1，可使其对应的响应光谱由紫外UV扩展到红外IR波段。00242本发明光电探测器的耗材少，所述膜层厚度都在几十纳米量级。00253本发明光电探测器在短波长处550NM对入射角度的要求不高，探测角度大。00264本发明光电探测器所需材质来源广泛，如金属可用铝，介质隔层可用二氧化硅等。00275本发明的光电探测器，在短波处550NM对光的偏振敏感度不高，在长波处TM偏振光的光谱响应好。00286本发明最主要的特色是在传统的“金属绝缘体金属”层的架构上加入了金属光栅层，利用最上面的金属光栅层将电磁场耦合到“金属绝缘体金属”层中。
15、去，考虑到光栅易于制作、光栅的表面等离激元激发效率高，此结构还能将光子的吸收与热电子的收集分开，各部分制作相对独立，故此器件的制备操作性好、良品率高。0029本发明的设计核心在于金属光栅层，此设计会带来光栅层的局域陷光，以及分开上、下金属膜层光吸收和激发电子的隧穿效应。附图说明0030下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述0031图1为本发明设计的光电探测器的结构示意图。0032其中11、石英基底；12、下金属膜层；13、下电介质隔层；14、上金属膜层；15、上电介质隔层；16、金属光栅层；101、下金属膜层电极导线；102、上金属膜层电极导线。0033图2为在TM即电场方向垂直金属光栅凹槽。
16、偏振光照射的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。0034图3为在TE即电场方向平行于金属光栅凹槽偏振光照射的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。0035图4为不同入射角度下，上、下金属膜层对光响应吸收比较曲线图。0036图5为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为500NM，占空比为036，厚度为50NM的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。0037图6为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为800NM、占空比为03、厚度为30NM的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。0038图7为在TM偏振光照射下，金属光栅层的周期为1000NM、占空比为03、厚度为50NM。
17、的条件下，上、下金属膜层对光的吸收比较曲线图。具体实施方式0039实施例1本次发明的结构参数是通过求解电磁场，利用有限元算法仿真优化得出，本结构的具体光吸收特性将在附图中给出。说明书CN104064620A4/5页60040结合图1所示，本实施例提供的这种基于MIM结构的表面等离激元增强的光电探测器，其采用基底11材质为石英，厚度为1000M，厚度一般比较厚，以实际操作方便为出发点，在基底11上由下而上依次设置下金属膜层12材质为金，厚度为50NM、下电介质隔层13材质为氧化铝，厚度为3NM、上金属膜层14材质为金，厚度为20NM、上电介质隔层15材质为二氧化硅，厚度为30NM和金属光栅层16。
18、材质为金，厚度为50NM，周期为500NM，占空比为036，还包括上、下金属膜层电极导线102、101，分别连接至上、下金属膜层14、12上作为探测器的输出端口。通过有限元方法的模拟分析，其上、下金属膜层14、12的吸收如附图5所示，从图中可以看出，在波长为1150NM1300NM处，上、下金属膜层14、12的光吸收差比较大，借此可探测出该波段处入射光子的细微差别。0041参照图1，本发明的结构是集成在石英基底11上，其具体的制备方法如下00421在经过清洗的石英基底11上运用电子束蒸发技术，即在50W条件下蒸镀10S得到5NM的钛黏附层，然后利用ANELVAE200S溅射系统在黏附层上镀金3。
19、0S形成下金属膜层12，其厚度为50NM；00432冷却清洗后，在150、20SCCMN2气体流量下，利用原子层沉积技术沉积3NM的氧化铝，形成下电介质隔层13；00443利用ANELVAE200S溅射系统在下电介质隔层13上镀金薄膜15S，得到20NM的上金属膜层14；00454冷却后，利用等离子体增强化学气相沉积技术在上金属膜层14表面形成30NM的二氧化硅作为上电介质隔层15；00465将环烯烃聚合物COP薄膜旋涂在二氧化硅上电介质隔层15上，在旋涂过程中应高于3000R/MIN的转速，以保证旋涂膜层的均匀。接着使用SCIVAX、X200型纳米压印机，压印COP薄膜，得到凹槽模板后。再次。
20、利用ANELVAE200S溅射系统在上电介质隔层15上镀金薄膜30S，得到金薄膜的厚度为50NM。利用反应离子刻蚀机对纳米复合结构进行刻蚀，用AR和CF4混合气体在室温下刻蚀金15S，并用氧反应离子刻蚀残留的COP层，在气体流速为50CM3/MIN，射频功率为100W、反应压力为10PA的刻蚀参数下，使得刻蚀速率在200NM/MIN，最后用丙酮溶液超声清洗掉光刻胶，就可制备出50NM的金属光栅层16结构，周期为500NM，占空比为036。最后，在上、下金属薄层14、12处各引出一条电极导线即上、下金属膜层电极导线102、101，与外界电路连接。0047上述实施例中制备出的金属光栅层16厚度为5。
21、0NM，周期500NM，占空比036，上、下金属膜层14、12的厚度分别为20NM、50NM，利用基于麦克斯韦方程组的有限元模拟方法，可得到此器件在无外界偏压下对于400NM波长的光响应度为1A/W，此器件可突破常规半导体禁带宽度的限制。另外，在优化器件结构、增加偏压等条件下，可进一步提高其响应度。0048如图2所示为在TM即电场方向垂直于金属光栅的凹槽偏振光照射的条件下，在300800NM波段范围内，上金属膜层14的光吸收明显高于下金属膜层12；光吸收的差异会导致上、下金属膜层14、12间产生净电流流通，从而可进行光子探测。0049如图3所示为在TE即电场方向平行于金属光栅的凹槽偏振光照射的。
22、条件下，在300800NM波段范围内，上金属膜层14的光吸收明显高于下金属膜层12；光吸收的差异会导致上、下金属膜层14、12间产生净电流流通，从而可进行光子探测。说明书CN104064620A5/5页70050如图4所示为不同入射角度下，上、下金属膜层14、12对光响应吸收比较曲线图。由图可知，在整个波段内随着入射角度的增加，上、下金属膜层14、12对应的光吸收变化趋势基本一致均有下降。当入射角度小于40时，上、下金属膜层14、12的光吸收随角度的增加下降比较缓慢，而当入射角度大于60时，整个波段内两层金属膜层14、12的光吸收下降幅度均明显。0051实施例2其结构参见图1，与实施例1相同，。
23、不同之处在于金属光栅的周期由实施例1中500NM变为800NM，即占空比仍然为03，金属光栅的厚度为50NM。通过有限元方法模拟，可得到上、下金属膜层14、12对光谱的响应情况。如附图6所示，通过调整金属光栅的周期、占空比及厚度，从而改变表面等离激元的共振波长，影响器件在不同光谱范围内对光的响应的差异。对于本实施例，从附图6中也可以看出，在波长为13501550NM处，上、下金属膜层14、12对光的吸收差较大，所以可以利用此结构对上述波段入射光子的细微变化进行探测。0052实施例3其结构参见图1，与实施例1相同，不同之处在于金属光栅的周期由实施例1中的500NM变为1000NM，即占空比仍然为。
24、03，金属光栅的厚度为50NM。通过有限元方法模拟，可得到上、下金属膜层14、12对光谱的响应情况。如附图7所示，通过调整金属光栅的周期、占空比及厚度，从而改变表面等离激元的共振波长，影响器件在不同光谱范围内对光的响应的差异。对于本实施例，从附图7中可以看出，在波长为16001900NM处，上、下金属膜层14、12对光的吸收差比较大，所以可以利用此结构对上述波段入射光子的细微变化进行探测。0053以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，比如改变尺寸、形状或者改变材料等，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。说明书CN104064620A1/4页8图1图2说明书附图CN104064620A2/4页9图3图4说明书附图CN104064620A3/4页10图5图6说明书附图CN104064620A104/4页11图7说明书附图CN104064620A11。