本發明屬于光探測器技術領域，涉及利用等離激元增強結構電極構成的等離激元增強的光電探測器，特別是基于半導體納米材料的等離激元增強光電探測器及其制備方法。

背景技術：

光探測器在科學領域以及工業、軍事應用中得到了廣泛的應用，包括監控、制造工藝控制、光通訊、生物以及軍事上的夜間探測等。基于各種材料的光探測器目前是各國科學家的研究熱點。基于如銦鎵砷、銻鎘汞等塊體半導體材料的紅外探測器，盡管可以實現較高的量子效率以及低溫下良好的極限探測性能，并且可以實現很高的探測度和很快的響應速度，但是由于技術難度大，工藝復雜，價格較高，難以更大規模應用，尤其在室溫條件下的高性能寬譜紅外探測器一直未能得到較好實現。

碳納米管作為半導體納米材料的代表，具有構建高效納米光電子器件所需要的優異性質。作為一種新興光電材料，有望彌補現有光電材料穩定性差、尺寸無法縮減等不足。首先，半導體納米碳管是直接帶隙材料，具有很好的吸光特性，碳納米管薄膜具有極低的光反射系數。其光譜吸收范圍覆蓋紫外、可見至紅外波段。其次，碳納米管具有極高的室溫遷移率，是良好的導電通道材料，具有高響應速度，可以制備高速光電響應器件和大數據量光電信息傳輸。此外，碳納米管因其碳碳鍵結構的穩定性，單一的構成元素，具有良好的應力、化學穩定性和對電流的高承受能力。最后尤其重要的是，半導體碳納米管同時具有近乎完美的電子型接觸金屬鈧(Sc)(Doping-Free Fabrication of Carbon Nanotube Based Ballistic CMOS Devices and Circuits,Z.Y.Zhang,X.L.Liang,S.Wang,K.Yao,Y.F.Hu,Y.Z.Zhu,Q.Chen,W.W.Zhou,Y.Li,Y.G.Yao,J.Zhang,and L.-M.Peng,Nano Letters 7(12)(2007)3603)和金屬釔(Y)(Y-Contacted High-Performance n-Type Single-Walled Carbon Nanotube Field-Effect Transistors:Scaling and Comparison with Sc-Contacted Devices,L.Ding,S.Wang,Z.Y.Zhang,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,T.Pei,L.J.Yang,X.L.Liang,J.Shen,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li,and L.-M.Peng,Nano Letters 9(2009)4209)，以及空穴型接觸金屬Pd(Ballistic carbon nanotube field-effect transistors,A.Javey,J.Guo,Q.Wang,M.Lundstrom,H.J.Dai,Nature 424(2003)654)。采用不同的金屬分別實現電子和空穴的歐姆接觸為構建基于碳納米管的高性能太陽電池提供了保證。在半導體碳納米管兩端分別采用Pd和Sc接觸電極已經成功制備出高性能的光電二極管(Photovoltaic Effects in Asymetrically Contacted CNT Barrier-Free Bipolar Diode,S.Wang,L.H.Zhang,Z.Y.Zhang,L.Ding,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,X.L.Liang,M.Gao,J.Shen,H.L.Xu,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li and Lian-Mao Peng,J.Phys.Chem.C 113(2009)6891)，這種結構的光電二極管具有較好的光電轉換特性。

因此作為光電探測器的主要材料，碳納米管因其各項優異特點，具有重大應用價值。然而碳納米管材料由于自身納米尺度的限制，對入射光的吸收利用率(量子效率)較低。同時一維方向的碳納米管對垂直其長軸方向偏振的入射光能量利用率極低，幾乎不能構成激子的產生和載流子的收集。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種基于半導體納米材料的等離激元結構增強光電探測器及其制備方法，能夠提高特定光譜響應范圍內的入射光能量利用率，進而提升特定工作光譜范圍內量子效率。

本發明的技術方案如下：

基于半導體納米材料的等離激元增強光電探測器，該光電探測器以半導體納米材料作為電極之間的導電溝道，至少一端的電極采用等離激元增強電極結構，所述等離激元增強電極結構為斧狀周期結構。

進一步地，所述等離激元電極結構包括與半導體納米材料構成有效接觸的金屬層，如P型高功函數金屬鈀、金等，或者N型低功函數金屬鈧、釔、鋁等，來實現良好的空穴或電子注入效果(厚度1納米左右)；以及起等離激元共振作用的等離激元材料包括金、銀、鋁、石墨烯等(厚度在20～30納米)，能在特定入射光波長及偏振方向下激發等離激元共振。如果構成有效接觸的金屬層同等離激元材料一致，則由同一種金屬材料構成等離激元電極即可；或者是采用不同的材料，例如，對于石墨烯，則可以使用金同時作為滿足和等離激元材料構成有效接觸的金屬層材料。

進一步地，所述等離激元增強電極結構，可以根據需要響應波長范圍，調整周期數量及尺寸，單個周期的特征尺寸及電極各層材料厚度。如可以更改周期大小，使得設計峰值響應波長偏移，周期變大增強峰會有藍移，但幅度不大，同時強度有一定增加；更改等離激元材料中的金屬層的厚度以適應不同材料需求，在20～30納米厚度內保證增強條件基本不變，然而厚度不能超過30納米，否則會有增強效果隨厚度增加減弱明顯。

進一步地，所述電極均位于所述半導體納米材料的兩端之上，或者均位于所述半導體納米材料的兩端之下。

進一步地，所述半導體納米材料優選采用碳納米管，包括單壁或多壁半導體性碳納米管。同時包括單根碳納米管、定向平行排列碳納米管陣列，或不定向碳納米管薄膜。

進一步地，所述等離激元增強光電探測器的整個器件的尺寸在10納米-1毫米。

進一步地，所述等離激元增強光電探測器光譜響應的波長范圍為300-10000納米，優選1400-2100納米。

上述等離激元增強光電探測器可以通過如下制備方法實現：

1‐1)在襯底上沉積半導體納米材料到溝道位置。

1‐2)在半導體納米材料上進行電極圖案化，沉積電極材料，并去除多余的金屬層。

1‐3)封裝得到等離激元增強光電探測器。

或者通過以下制備方法實現：

2‐1)在襯底上上進行電極圖案化，沉積電極材料，并去除多余的金屬層；

2‐2)沉積半導體納米材料到通過步驟2-1)形成的電極間的溝道中并去掉多余的半導體納米材料；

2‐3)封裝得到等離激元增強光電探測器。

進一步地，本發明中通過CVD或碳管溶液沉積等方式沉積半導體納米材料到步驟1-1)所述的溝道位置或步驟2-2)所述的溝道中。

進一步地，本發明中進行電極(包括等離激元增強電極結構及普通電極)圖案化的方法包括：先沉積金屬，然后采用干法(包括離子束刻蝕)或濕法刻蝕的方式進行圖案化；或采用電化學電鍍等化學方式在特定位置沉積金屬；或通過自組織等方式使金屬顆粒團聚圖案化。

進一步地，沉積電極材料的方法可以是電子束蒸鍍、磁控濺射、熱蒸鍍等方法。

本發明的有益效果在于提出了一種增強特定波長范圍光利用率(量子效率)的等離激元增強電極結構，等離激元結構，可以使入射光能量轉為金屬與介質界面的電子集體震蕩能量，并能將該能量以近場電磁波的形式釋放到結構限定的位置，如材料所處的位置，起到對入射光能量再分布的作用。同時等離激元結構還能操控電磁場的偏振方向，對入射偏振方向進行調制。等離激元結構同入射光電磁場振動頻率的匹配，使得結構表明等離激元振蕩發生共振增強，近場能量密度以多倍于入射光能量密度的形式釋放，因此可以增強單位面積的入射光能量利用率。因此應用等離激元增強結構電極構成的等離激元增強光電探測器，在針對特定波長范圍進行增強探測，提高對入射光的利用率方面，是具有重大意義的。將其應用在基于半導體納米材料光電探測器上，得到性能提升的納米材料光電探測器。其制作的工藝簡單，無需摻雜，電極加工與微加工方式兼容，尺寸可靈活設計以滿足特定波長范圍增強的需求。通過使用碳納米管的非對稱接觸作為感光單元，可以極大地降低傳統材料實現中的串擾，并提高穩定性和光譜響應范圍。

附圖說明

圖1是一個基于單根半導體碳納米管的等離激元增強光電探測器的結構示意圖，其中：1-N型接觸普通電極，2-P型接觸等離激元增強電極，3-單根碳納米管，4-襯底。

圖2是基于單根半導體碳納米管的等離激元增強光電探測器，和普通碳納米管光電探測器在一定波長范圍內的光電流響應對比圖。

圖3是等離激元增強光電探測器在特定波長范圍內的光電響應增強倍數曲線。

圖4是基于二維半導體碳納米管陣列的等離激元增強光電探測器，其中：1-N型接觸普通電極，2-P型接觸等離激元增強電極，3-碳納米管定向陣列，4-襯底。

圖5是基于二維半導體碳納米管薄膜的等離激元增強光電探測器，探測器兩端均為等離激元增強電極，其中：1-N型接觸等離激元增強電極，2-P型接觸等離激元增強電極，3-不定向碳納米管薄膜，4-襯底。

圖6是兩種等離激元光電探測器架構的側視圖，(a)中電極在半導體納米材料上，(b)中電極在半導體納米材料下，其中：1-碳納米管，2-N型接觸等離激元增強電極，3-P型接觸等離激元增強電極，4-襯底，5-環氧樹脂封裝層。

具體實施方式

下面通過實施例進一步詳細描述本發明，但不以任何方式限制本發明的范圍。

實施例1：

圖1所示的是本發明實現的基于單根碳納米管的等離激元增強光電探測器的結構示意圖。在單根碳納米管3上，以鈀/金為P型接觸等離激元增強電極2，鈧為N型接觸普通電極1，導電溝道即碳納米管長度為250納米到500納米(視碳管在溝道中所處的位置而定)。

該等離激元增強光電探測器的具體制備步驟如下：

1、通過CVD沉積獲得位于Si/SiO₂襯底4上的本征半導體單根碳納米管3；

2、在單根碳納米管3上通過電子束曝光的方法形成鈀電極的斧狀周期結構圖案形狀，然后用電子束蒸鍍1納米厚的金屬鈀，再蒸鍍20納米厚的金，得到P型接觸等離激元增強電極2，形狀為斧狀周期結構，最后剝離去除不需要的金屬層；

3、在單根碳納米管3上通過電子束曝光的方法形成鈧電極的圖案形狀，然后電子束蒸鍍70納米厚的金屬鈧，得到N型接觸普通電極1，再剝離去除不需要的金屬層；

4、采用PMMA進行封裝覆蓋，起到一定的隔絕外界水汽及空氣的作用。同時PMMA的介電常數也滿足我們等離激元激發的需要。

基于上述方法，可以基于單根碳納米管材料制作等離激元增強的光電探測器。

圖2是等離激元增強光電探測器同普通碳管光電探測器的對比，可以看到特定波長范圍內等離激元增強光電探測器能更加有效的探測入射光信號。結構設計增強峰位在2000nm附近，實際發現2000nm附近有等離激元器件非常顯著的光電響應，光電流在1970nm達到最大，然而普通器件響應相比等離激元來說幾乎可以忽略。這是因為等離激元結構對碳管來說，除了構成局域的增強光場，還有改偏振的效果。當偏振與碳管垂直，碳管本應幾乎不吸收光子能量。然而在等離激元結構作用下，在斧狀結構尖角處有局域的電場，此時雖然入射偏振垂直于碳管，得益于尖角處電場將偏振方向的偏轉，使得碳管此時能夠充分吸收和利用該入射光。

這種現象導致在2000nm處等離激元器件相比普通器件，光電流有十分顯著的增強，圖3是等離激元增強光電探測器增強倍數的曲線，可以看到在特定波長范圍內，探測器響應有顯著的增強。倍數可以達到200倍。實際應用中，等離激元局域場增強，和等離激元對入射光偏振方向的改偏振效果，都可以通過該電極起到作用。對于有偏振響應的納米線，碳納米管等，兩者都起作用。對于無明顯偏振響應如石墨烯等均一二維材料，則只有等離激元局域場增強效果起作用。

設計等離激元電極時需要注意厚度，起等離激元左右的金屬層(如金)不應超過30nm，超過30nm會有增強作用的減弱。如當金的厚度為60nm時，在2000nm附近的增強峰值相比20nm減少了30％以上。后面的實施例中的起等離激元作用的金屬層具有同樣的特征。

實施例2：

圖4所示的是基于碳納米管定向陣列或薄膜的光電探測器。其具體制備步驟如下：

1、通過溶液沉積獲得位于Si/SiO₂襯底4上的高純度本征半導體碳納米管定向陣列3；

2、在碳納米管定向陣列3上通過電子束曝光的方法形成鈀電極的斧狀周期結構圖案形狀，然后用電子束蒸鍍1納米厚的金屬鈀，再蒸鍍20納米厚的金，得到P型接觸等離激元增強電極2，形狀為斧狀周期結構，最后剝離去除不需要的金屬層；

3、在碳納米管定向陣列3上通過電子束曝光的方法形成鈧電極的圖案形狀，然后電子束蒸鍍70納米厚金屬鈧，得到N型接觸普通電極1，再剝離去除不需要的金屬層；

4.對器件周圍進行電子束曝光圖形化，刻蝕去除不需要的碳納米管。

5、采用PMMA進行封裝覆蓋，起到一定的隔絕外界水汽及空氣的作用。同時PMMA的介電常數也滿足我們等離激元激發的需要。

實施例3：

圖5所示的是兩端電極均為等離激元增強結構電極的碳納米管光電探測器，其P型接觸等離激元增強電極1為鈀/金(1nm鈀，20nm金，金起到等離激元效果)，N型接觸等離激元增強電極2為鈧/鋁(2nm鈧，30nm鋁，鋁起到等離激元效果)。兩種等離激元結構材料構成兩端的等離激元增強電極，結構均為斧狀周期結構。

Si/SiO₂襯底4上的不定向碳納米管薄膜3同樣可以由CVD生長或溶液沉積等方式得到，電極的制備類似實施例1及2。

實施例4：

圖5所示的還可以是兩端電極均為等離激元增強結構電極的石墨烯光電探測器，其兩邊接觸均采用單一材料金(適用于可見到紅外波段)或鋁(適用于紫外波段)。兩端的等離激元增強電極，結構均為斧狀周期結構。

Si/SiO₂襯底4上的石墨烯3同樣可以由CVD生長或溶液沉積等方式得到，電極的制備類似實施例1及2。

實施例5：

第一種結構為電極在溝道材料上，如圖6(a)所示，具體制備方法類似實施例2的方法。

第二種結構為溝道材料在電極上，如圖6(b)所示，其具體制備步驟如下：

1.在襯底4上通過電子束曝光的方法形成鈀電極的斧狀周期結構圖案形狀，然后用電子束蒸鍍1納米厚的金屬鈀，再蒸鍍20納米厚的金，得到P型接觸等離激元增強電極3，形狀為斧狀周期結構，最后剝離去除不需要的金屬層；

2.在碳納米管1上通過電子束曝光的方法形成鈧電極的斧狀周期結構圖案形狀，然后電子束蒸鍍2納米厚的金屬鈧，再覆蓋20納米鋁電極，得到N型接觸普通電極2，剝離去除不需要的金屬層；

3.在碳管溶液中沉積碳納米管到溝道中。

4.對器件周圍用電子束曝光進行圖形化，刻蝕去掉不需要的碳納米管。

5.生長一層氧化鉿作為緩沖層，覆蓋環氧樹脂封裝層5進行封裝，隔絕外界水汽和空氣。

6.最后可制備器件陣列，可以采用傳統布線工藝連接。

由此可以制造出大面積、高響應的碳管等離激元增強光電探測器。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，本發明的保護范圍應以權利要求書所述為準。