偏振光探测器及偏振光的探测方法与流程

本发明涉及偏振光探测领域，具体涉及一种偏振光探测器及偏振光的探测方法。

背景技术：

光在经物体的反射、折射、吸收和散射等作用后将改变自身的偏振特性，同时光的偏振信息中还包含了物体的表面粗糙度、光泽和电导率等信息。偏振探测技术有助于提高目标探测和识别的准确度，在卫星遥感探测、军事目标识别、大气探测、天文探测以及医学诊断等方面具有十分重要的应用价值。实现光的偏振信息的直接获取十分必要。

目前对于偏振光的方向探测通常使用三种方法，即单一的线偏振探测法、基于stokes矢量参数测量法和基于偏振光干涉法。这三种方法都不是直接拾取光的偏振参数的方法，而是通过偏振片和光栅等光学设备间接地得到光的偏振信息。

因此，有必要提供一种新的偏振光探测器及偏振光的探测方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种偏振光探测器以及一种偏振光的探测方法。

本发明第一方面提供了一种偏振光的探测方法，包括以下步骤：

提供一种偏振光探测系统，其包括偏振光探测器，所述偏振光探测器包括基底、依次设置在所述基底表面上的隔离层和光敏材料层、以及设置在所述光敏材料层相对的两端且分别与所述光敏材料层接触的源极和漏极，所述源极和所述漏极之间形成的沟道结构暴露出部分所述光敏材料层，所述光敏材料层的材料包括β-inse纳米薄片；

将一待测偏振光照射到所述光敏材料层的表面；

所述光敏材料层吸收所述待测光并进行光电转换，使所述偏振光探测器产生相应的电流结果；

利用所述电流结果分析得到所述待测偏振光的偏振信息。

其中，所述偏振光探测系统还包括一计算机分析系统，用于根据所述电流结果分析得到所述待测偏振光的偏振信息。

其中，所述计算机分析系统中存储有偏振光的偏振信息与所述偏振光通过偏振光探测器探测后产生的电流信息的对应关系表，当所述计算机分析系统分析所述待测偏振光的偏振信息时，将所述偏振光探测器产生的相应电流结果与所述对应关系表进行比对，得到所述待测偏振光的偏振信息。

其中，所述偏振光探测系统还包括光束导入模块，所述光束导入模块用于将所述待测偏振光垂直照射在所述光敏材料层的表面。

其中，所述光敏材料层的厚度为2-20nm。

其中，所述光敏材料层的厚度为10-20nm。

其中，所述源极和所述漏极之间暴露出的光敏材料层沿垂直于所述源极和所述漏极延伸方向的长度为1-10μm，沿平行于所述源极和所述漏极延伸方向的长度为1-15μm。

其中，所述偏振光探测器的探测波长为780-1000nm。

其中，所述基底的材质为硅，所述基底的厚度为300-500μm，电阻率为1-10ω·cm，所述隔离层的材质为二氧化硅，所述隔离层的厚度为200-500nm。

本发明还提供了一种偏振光探测器，包括：基底、依次设置在所述基底表面上的隔离层和光敏材料层、以及设置在所述光敏材料层相对的两端且分别与所述光敏材料层接触的源极和漏极，所述源极和所述漏极之间形成的沟道结构暴露出部分所述光敏材料层，所述光敏材料层的材料包括β-inse纳米薄片。

综上，本发明有益效果包括以下几个方面：

1、本发明实施例提供的偏振光探测器，利用β-inse纳米薄片具有各向异性的特点，可直接用于有效拾取光偏振信息，不需要用到额外的偏振片。

2、本发明实施例提供的偏振光的探测方法不需要用到额外的偏振片，能够直接且有效地拾取光偏振信息。

附图说明

图1为本发明一实施方式提供的偏振光探测器的结构示意图；

图2为本发明一实施方式提供的偏振光探测器的制备方法示意图；

图3为本发明实施例4提供的偏振光探测器的工作过程示意图；

图4为本发明实施例4提供的偏振光探测器进行偏振光探测的测试结果图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

请参照图1，本发明实施例提供了一种偏振光探测器10，包括：基底1、设置在所述基底1表面的隔离层2、设置在所述隔离层2表面的光敏材料层3、设置在所述光敏材料层3相对的两端且分别与所述光敏材料层3接触的漏极4和源极5，所述漏极4和所述源极5之间形成的沟道结构暴露部分所述光敏材料层3，所述光敏材料层3的材料包括β-inse纳米薄片。

本发明实施方式中，所述β-inse纳米薄片的层数小于或等于25层。可选地，所述β-inse纳米薄片的层数为2-25层。进一步可选地，所述β-inse纳米薄片的层数为2-10层。

本发明实施方式中，所述光敏材料层3的厚度为2-20nm。可选地，所述光敏材料层3的厚度为10-20nm。

本发明实施方式中，所述光敏材料层3上还可以设置石墨烯层、纳米金属层或量子点层以形成异质结，以有效提高偏振光探测器的性能。可选地，所述纳米金属可以选自au、ag或al等。可选地，在所述光敏材料层表面设置金属纳米点阵列。可选地，所述量子点包括pbs或snse等。可选地，所述量子点旋涂在所述光敏材料层表面形成异质结。

本发明实施方式中，所述β-inse纳米薄片是从β-inse单晶块通过撕胶带的方法得到的。

本发明实施方式中，所述基底1的材质为硅，所述基底1的厚度为300-500μm，电阻率为1-10ω·cm。可选地，所述基底1为p型或n型掺杂的硅片。

本发明实施方式中，所述隔离层2的材质为二氧化硅，所述隔离层2的厚度为200-500nm。

本发明实施方式中，所述漏极4和源极5的材质为金、钛、铝、铬、钨和镍中的至少一种。可选地，所述漏极4和源极5均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述光敏材料层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。所述漏极4和所述源极5连接外部电源。可选地，所述漏极4和所述源极5与所述光敏材料层3实现接触即可，至于接触的面积不做特殊限定。可选地，所述漏极4和所述源极5中的一部分与所述光敏材料层3部分接触，另一部分与所述隔离层2接触。

请参照图1，本发明实施方式中，所述源极和所述漏极之间暴露出的光敏材料层沿垂直于所述源极和所述漏极延伸方向的长度l为1-10μm，沿平行于所述源极和所述漏极延伸方向的长度w为1-15μm。在所述l和w条件下，得到的偏振光探测器性能良好。可选地，所述源极和所述漏极之间暴露出的光敏材料层的长度l为3μm，w为10μm。

本发明实施方式中，所述偏振光探测器可以实现对近红外偏振光的有效探测，可选地，所述偏振光探测器可以实现对波长为780-1000nm的近红外偏振光的探测。

本发明实施方式第一方面提供的偏振光探测器，采用β-inse纳米薄片作为光敏材料，由于β-inse纳米薄片结构具有各向异性的特点，即，具有偏振片的作用，因此，本发明的偏振光探测器不需要用到额外的偏振片，能够直接且有效拾取光偏振信息，具有小型便携、操作方便、数据处理简易的特点。此外，所述偏振光探测器响应度高、且对不同方向偏振光的响应差异较大，极具实用价值。

参照图2，本发明实施方式还提供了一种偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

s01、提供基底1和设置在所述基底1上的隔离层2；

s02、提供β-inse单晶块，将β-inse单晶块粘到胶带上，反复撕10-20次，得到β-inse纳米薄片31，再将得到的β-inse纳米薄片31转移到有机薄膜6上，随后将所述有机薄膜6上的β-inse纳米薄片31转移到所述隔离层2上，形成光敏材料层3；

s03、在所述β-inse纳米薄片31上方以及未被所述β-inse纳米薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂光刻胶7，经曝光和显影后，形成电极图案8；

s04、沉积电极材料，随后剥离光刻胶，形成漏极4和源极5。

本发明实施方式中，步骤s01中，提供p型或n型掺杂的具有二氧化硅层的硅片，所述硅片包括两层，分别为二氧化硅层和硅层，所述硅层的厚度为300-500μm，电阻率为1-10ω·cm，所述二氧化硅层厚度为200-500nm。其中，所述硅层作为基底1，所述二氧化硅层作为隔离层2。具体地，用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片切成1×1cm²大小，得到待使用的硅片。

本发明实施方式中，步骤s01中还包括对所述硅片进行清洗的操作，所述清洗按照以下方法操作：

将待使用的硅片依次通过丙酮溶液、异丙醇(或为乙醇)分别超声3-5分钟，再用去离子水超声3-8min，并用高纯氮气快速吹干待用。

本发明实施方式中，步骤s02中，所述胶带为scotch胶带。所述有机薄膜6包括聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜。通过撕胶带的方法可以得到厚度较薄、层数较少的β-inse薄片，同时该方法简单易操作。

本发明实施方式中，步骤s02中，所述β-inse单晶块按照以下方法制得：

将in源和se源以摩尔比为1:1混合，然后在400-800℃范围内采用温度梯度的方法制得所述β-inse单晶块。

本发明实施方式中，步骤s03中，在所述β-inse薄片31上方以及未被所述β-inse薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂一层光刻胶7(pmma)(型号为950，a4-a10)，转速为2000-4000转/分钟，并在加热板上烘1-5分钟，烘干温度为50-180℃。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案8。所述电极图案8为穿透所述光刻胶且暴露出部分所述β-inse薄片的两个通孔。

本发明实施方式中，步骤s04中，在所述通孔上方进行沉积电极材料，所述电极材料填充所述通孔并与所述β-inse薄片相接触，形成漏极4和源极5。可选地，通过热蒸镀或磁控溅射等方法进行沉积。可选地，首先沉积5-10nm厚度的铬层9，然后再沉积20-80nm厚度的金层10以形成复合电极。沉积结束之后，将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮等有机溶剂中浸泡用于剥离光刻胶，并放置在加热板上加热10-30分钟，其中加热板温度设置为30-50℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。

本发明实施例提供的偏振光探测器的制备方法工艺简单易操作，制得的所述偏振光探测器可直接拾取光偏振信息，不需要使用偏振片，小型便携。同时，具有高的光响应度，极具实用价值。

本发明实施方式还提供了一种偏振光的探测方法，包括以下步骤：

提供一种偏振光探测系统，所述偏振光探测系统包括如图1所示的偏振光探测器10，所述偏振光探测器包括基底1、依次设置在所述基底1表面上的隔离层2和光敏材料层3、以及设置在所述光敏材料层3相对的两端且分别与所述光敏材料层3接触的漏极4和源极5，所述漏极4和所述源极5之间形成的沟道结构暴露出部分所述光敏材料层3，所述光敏材料层3的材料包括β-inse纳米薄片；

将一待测偏振光照射到所述光敏材料层的表面；

所述光敏材料层吸收所述待测光并进行光电转换，使所述偏振光探测器产生相应的电流结果；

利用所述电流结果分析得到所述待测偏振光的偏振信息。

本发明实施方式提供的偏振光探测器，采用β-inse纳米薄片作为光敏材料，由于各向异性的β-inse对不同偏振方向光的吸收不同，从而不同偏振方向的光对应不同的电流响应，因此，在实际探测时，由探测到的电流大小可反推待探测偏振光的方向。因此，本发明的探测方法不需要用到额外的偏振片，能够直接且有效拾取光的偏振信息。此外，所述偏振光的探测方法响应度高、且对不同方向偏振光的响应差异较大。

本发明实施方式中，所述待测偏振光垂直照射在所述光敏材料层的表面。可选地，所述偏振光探测系统还包括光束导入模块，所述光束导入模块用于将待测偏振光垂直照射在所述光敏材料层的表面。可选地，所述光束导入模块包括反射镜、棱镜和保偏光束转换器中的一种。

本发明实施方式中，所述漏极电压不超过10v，源极电压不超过10v，栅极电压为不超过80v。可选地，常用栅极电压调控范围为-60v-60v。

本发明实施方式中，所述偏振光探测系统还包括一计算机分析系统，用于根据所述电流结果分析得到所述待测偏振光的偏振信息。可选地，所述计算机分析系统与所述偏振光探测器电连接。可选地，所述计算机分析系统中存储有偏振光的偏振信息与所述偏振光通过偏振光探测器探测后产生的电流信息的对应关系表，当所述计算机分析系统分析所述待测偏振光的偏振信息时，将所述偏振光探测器产生的相应电流结果与所述对应关系表进行比对，得到所述待测偏振光的偏振信息。具体地，对于给定的偏振光探测器，在其他条件(如光波长、光功率、栅极所加电压大小、源漏极所加电压大小等)一定的情况下，器件源漏极之间的电流大小只与偏振光的方向相关，因此控制其他条件一定，通过得到的源漏电流大小即可反推已知功率、已知波长的待测偏振光的偏振方向。对于给定的偏振光探测器，在探测前，可测试得到偏振光方向与源漏电流之间的对应关系表，在探测结束后，将得到的电流结果与所述对应关系表进行比对，即可得到所述待测偏振光的偏振信息。

本发明实施例中，所述β-inse纳米薄片的层数小于或等于25层。可选地，所述β-inse纳米薄片的层数为2-25层。进一步可选地，所述β-inse纳米薄片的层数为2-10层。

本发明实施方式中，所述光敏材料层3的厚度为2-20nm。可选地，所述光敏材料层3的厚度为10-20nm。

本发明实施方式中，所述光敏材料层3上还可以设置石墨烯层、纳米金属层或量子点层以形成异质结，以有效提高偏振光探测器的性能。可选地，所述纳米金属可以选自au、ag或al等。可选地，在所述光敏材料层表面设置金属纳米点阵列。可选地，所述量子点包括pbs或snse等。可选地，所述量子点旋涂在所述光敏材料层表面形成异质结。

本发明实施方式中，所述β-inse纳米薄片是从β-inse单晶块通过撕胶带的方法得到的。

本发明实施方式中，所述基底1的材质为硅，所述基底1的厚度为300-500μm，电阻率为1-10ω·cm。可选地，所述基底1为p型或n型掺杂的硅片。

本发明实施例中，所述隔离层2的材质为二氧化硅，所述隔离层2的厚度为200-500nm。

本发明实施例中，所述漏极4和源极5的材质为金、钛、铝、铬、钨和镍中的至少一种。可选地，所述漏极4和源极5均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述光敏材料层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。所述漏极4和所述源极5连接外部电源。可选地，所述漏极4和所述源极5与所述光敏材料层3实现接触即可，至于接触的面积不做特殊限定。可选地，所述漏极4和所述源极5中的一部分与所述光敏材料层3部分接触，另一部分与所述隔离层2接触。

请参照图1，本发明实施例中，所述源极5和所述漏极4之间暴露出的光敏材料层沿垂直于所述源极5和所述漏极4延伸方向的长度l为1-10μm，沿平行于所述源极5和所述漏极4延伸方向的长度w为1-15μm。在所述l和w条件下，得到的偏振光探测器性能良好。可选地，所述源极和所述漏极之间暴露出的光敏材料层的长度l为3μm，w为10μm。

本发明实施例中，所述偏振光探测器可以实现对近红外偏振光的有效探测，可选地，所述偏振光探测器可以实现对波长为780-1000nm的近红外偏振光的探测。

本发明提供的偏振光的探测方法不需要用到额外的偏振片，能够直接且有效拾取光偏振信息。此外，所述偏振光的探测方法响应度高、且对不同方向的偏振光的响应差异较大。

实施例1：

一种偏振光探测器，包括依次层叠的硅基底、二氧化硅隔离层和β-inse纳米薄片，设置在β-inse纳米薄片相对设置的两端且分别与β-inse纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-inse纳米薄片。硅基底的厚度为300μm，二氧化硅隔离层的厚度为300nm，β-inse纳米薄片的厚度为20nm，源极和漏极分别为5nm厚的铬层和40nm厚的金层层叠形成的复合电极。

一种偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为300μm，电阻率为1-10ω·cm，sio2部分的厚度为300nm)切成1×1cm²大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声5min并用高纯氮气快速吹干待用。

(2)制备β-inse纳米薄片；取少量β-inse单晶粘到胶带(如scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到β-inse纳米薄片。再将撕好的β-inse纳米薄片转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜上，最后将pdms薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。

(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶pmma(a4)，转速为3000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为120℃。

(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。

(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀5nm厚的铬层和40nm厚的金层，形成源极和漏极。

(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热10分钟，其中加热板温度设置为50℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。

实施例2：

一种偏振光探测器，包括依次层叠的硅基底、二氧化硅隔离层和β-inse纳米薄片，设置在β-inse纳米薄片相对设置的两端且分别与β-inse纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-inse纳米薄片。硅基底的厚度为500μm，二氧化硅隔离层的厚度为500nm，β-inse纳米薄片的厚度为10nm，源极和漏极分别为10nm厚的铬层和80nm厚的金层层叠形成的复合电极。

一种偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为500μm，电阻率为1-10ω·cm，sio2部分的厚度为500nm)切成1×1cm²大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声3min并用高纯氮气快速吹干待用。

(2)制备β-inse纳米薄片；取少量β-inse单晶粘到胶带(如scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到β-inse纳米薄片。再将撕好的β-inse纳米薄片转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜上，最后将pdms薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。

(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶pmma(a4)，转速为2000转/分钟，并在加热板上烘1分钟，烘干温度为180℃。

(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。

(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀10nm厚的铬层和80nm厚的金层，形成源极和漏极。

(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热30分钟，其中加热板温度设置为30℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。

实施例3：

一种偏振光探测器，包括依次层叠的硅基底、二氧化硅隔离层和β-inse纳米薄片，设置在β-inse纳米薄片相对设置的两端且分别与β-inse纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-inse纳米薄片。硅基底的厚度为400μm，二氧化硅隔离层的厚度为200nm，β-inse纳米薄片的厚度为15nm，源极和漏极分别为10nm厚的铬层和80nm厚的金层层叠形成的复合电极。

一种偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为400μm，电阻率为1-10ω·cm，sio2部分的厚度为200nm)切成1×1cm²大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声8min并用高纯氮气快速吹干待用。

(2)制备β-inse纳米薄片；取少量β-inse单晶粘到胶带(如scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到β-inse纳米薄片。再将撕好的β-inse纳米薄片转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜上，最后将pdms薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。

(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶pmma(a4)，转速为2000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为50℃。

(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。

(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀7nm厚的铬层和20nm厚的金层，形成源极和漏极。

(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热20分钟，其中加热板温度设置为40℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。

实施例4：

如图3所示，将实施例1制得的偏振光探测器进行偏振光探测性能测试，测试方法包括以下步骤：

(1)取实施例1中制作好的偏振光探测器，用硅片刀在硅片的一个角划开二氧化硅层。

(2)将其放在半导体特性分析仪配套的探针平台上，通过配套的ccd成像系统找到硅片上探测器的准确位置。

(3)选取探针台配套的两个探针分别接触到探测器的源、漏电极，选取另一探针接触步骤(1)中划开的二氧化硅层，当做探测器的背栅电极。

(4)打开半导体特性分析仪测试软件，漏极探针选择电压扫描模式，扫描范围为-3v-3v(vd)，设置源极电压(vs)为0v，栅极电压(vg)为0v。

(5)引入800nm激光，通过半波片11改变入射光的偏振方向，然后经过反射镜12将激光垂直照射在基于β-inse的偏振光探测器上。

(6)在激光功率为42mw/cm²的条件下，分别得到偏振光探测器对应不同入射方向的激光的电学测试图。图4为对应源漏极电压(vds)分别为1v和2v时的偏振光探测结果。

由图4可以看出，不同偏振方向的光对应不同的电流响应(源于各向异性的β-inse对不同方向光的吸收不同)。因此，在实际探测时，由探测到的电流大小(源漏极电流，ids)，可反推得到待探测偏振光的偏振方向。因此，本发明提供的偏振光探测器可用于对偏振光的探测。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。