基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器

1.本实用新型属于日盲紫外探测技术及纳米材料制备技术领域，更具体地，涉及一种基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器。


背景技术：

2.日盲紫外探测器由于其超高的传感能力和超强的抗干扰能力近几年来被广泛研究。algan、mgzno、金刚石和氧化镓等宽带隙半导体常被用来制作日盲紫外探测器，与algan、mgzno相比氧化镓不需要掺杂就能拥有超宽的带隙，且具有稳定性好和制备工艺简单等优点。
3.然而，由于ga2o3薄膜本身的高阻特性使得器件的响应度和探测效率并不高，基于β-ga2o3薄膜的紫外探测器具有较窄的光谱光响应率和极快的响应速度，但由于晶体的质量强烈依赖于晶格与衬底的晶格匹配，需要高温生长，使得重复性较差；基于α-gao
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薄膜的日盲紫外探测器具有出色的光电响应性，但是由于α-gao
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薄膜具有高浓度的氧空位，导致探测器暗电流高和信噪比低，且其带隙中有较多的缺陷导致其捕获光生载流子从而降低了响应速度；通过将α-gao
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薄膜进行退火处理可以得到微晶氧化镓(m-gaox)薄膜，通过退火降低了m-gaox薄膜中的氧空位缺陷显著提高了器件的响应速度和抑制率，但光电流和光响应率急剧恶化。
4.近年来，表面等离子体共振(spr)为增强光子的有效吸收、提高光电流和探测器的响应率提供了一条新的途径，当电磁波入射到一组亚波长金属结构上时，可能产生传播表面等离子体激元(pspp)和表面等离子体共振(lspr)，散射电磁波将具有更严格的空间约束和更高的局域场强度。目前有一些关于ag和au这样的金属纳米粒子与ga2o3耦合的报道，但金纳米粒子的共振吸收波长通常在可见红外光谱范围内，与ga2o3材料的能带耦合效果差，增益效果不明显。
5.综合上述现有技术中的不足，亟需开发一种增强氧化镓日盲光电探测器光吸收的结构及其制备方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器。通过在微晶氧化镓(m-gao
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)薄膜上耦合金属纳米柱阵列，通过使用comsol multiphysics 5.6进行模拟寻找优化的实验方案，大大提高了光子的有效吸收、光电流和响应率。
7.采用的技术方案为：包括衬底、置于所述衬底表面的氧化镓薄膜、置于氧化镓薄膜表面的金属纳米柱阵列以及置于金属纳米柱阵列上方的金属电极。
8.其中，所述金属纳米柱阵列所用金属包括铝、金、银、铂中的一种或多种。
9.其中，所述金属电极包括条形对电极或叉指电极，所述金属电极材料包括金、铬、钛或铝。
10.其中，所述衬底包括氧化铝、碳化硅、石英玻璃。
11.其中，所述氧化镓薄膜使用物理沉积薄膜方法制备，包括射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积等。
12.其中，所述金属纳米柱间距为100-300nm，厚度为10-100nm，半径为10-100nm。
13.其中，利用comsol multiphysics 5.6进行模拟，寻找优化的金属纳米柱参数，节省时间及资源。
14.总体而言，通过本实用新型所构思的技术方案与现有技术相比，能够取得下列增益效果：
15.(1)本实用新型的基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器在日盲紫外光的照射下，金属纳米柱阵列产生传播表面等离子体激元(pspp)和表面等离子体共振(lspr)，使得金属纳米柱表面电场增强，散射截面增大，大幅增强了探测器对日盲光的探测能力，提升了探测器的光电流和响应率。
16.(2)通过在氧化镓表面耦合al纳米柱阵列，氧化镓日盲紫外探测器的光电流增加2.3倍至1.9μa，光电响应率可以达到76a/w。另外，由于al材料容易在薄膜表面上形成al2o3钝化层，有效地减少器件界面缺陷并将重组时间缩短至0.08s。
附图说明
17.以下结合附图来详细说明本发明的实施方案：
18.图1为本实用新型的整体结构示意图。
19.图2为使用comsol multiphysics 5.6进行模拟的电场模强度结果。
20.图3为实施例1的其中一种优选结果的探测器的电场分布图。
21.图4为实施例1的其中另一种优选结果的探测器的电场分布图。
22.图5为实施例1的在黑暗条件下和在254nm紫外光照明下的半对数i-v曲线。
23.图6为对比例1制备得到的器件的上升时间和下降时间。
24.图7为实施例1制备得到的器件的上升时间和下降时间。
25.图8为实施例1的半对数光谱响应和归一化光谱响应。
26.图9为对比例1所述的无金属纳米柱阵列的氧化镓日盲紫外探测器的结构示意图。
27.图中：1、衬底；2、氧化镓薄膜；3、金属纳米柱阵列；4、金属电极。
具体实施方式
28.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，下面结合具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。应当理解，给出的实施例仅为了阐明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的范围。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本实用新型提供的基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器的结构示意图如图1所示，所述探测器包括衬底、置于所述衬底表面的氧化镓薄膜、置于氧化镓薄膜表面的金属纳米柱阵列以及置于金属纳米柱阵列上方的金属电极。
30.对比例1
31.本对比例用于说明无金属纳米柱阵列的氧化镓日盲紫外探测器的结构。
32.请着重参照图9，一种无金属纳米柱阵列的氧化镓日盲紫外探测器：包括衬底1、置于所述衬底1表面的氧化镓薄膜2以及置于氧化镓薄膜2上方的金属电极4。
33.实施例1
34.本对比例用于说明基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器的结构。
35.请着重参照附图1，一种基于金属纳米柱阵列表面等离子体激元的日盲紫外探测器：所述探测器包括衬底1、置于所述衬底1表面的氧化镓薄膜2、置于氧化镓薄膜2表面的金属纳米柱阵列3以及置于金属纳米柱阵列3上方的金属电极4。
36.附图2显示了使用comsol multiphysics 5.6进行模拟的电场模强度结果，得到优选的纳米柱高度为60nm，半径为50nm，阵列周期为200nm，另一优选参数高度为14nm，半径为42nm，阵列周期为200纳米由于微纳加工技术困难无法实现。
37.附图3为纳米柱高度为14nm，半径为42nm，阵列周期为200nm的探测器的电场分布图；附图4为纳米柱高度为60nm，半径为50nm，阵列周期为200nm的探测器的电场分布图。可以看出两种结构的金属纳米柱阵列均使得氧化镓内部电场显著增强。
38.附图5为实施例1的在黑暗条件下和在254nm紫外光照明下的半对数i-v曲线，与无金属纳米柱阵列的探测器相比，有金属纳米柱阵列的探测器的性能显著提高，光电流从对比例1的818na增加1.3倍到1.9μa。如附图6和附图7所示对比例探测器的上升时间和下降时间分别为2.18s和0.12s，实施例探测器的上升时间和下降时间分别降低到1.96s和0.08s。从附图8可以看到光响应率提高到了76a/w。
39.上述结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本实用新型的保护范围之内。