一种超低噪声光电探测器

技术领域

本申请涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种超低噪声光电探测器。

背景技术

半导体光电探测器由于效率高、体积小和抗冲击强等优点，是信息系统中将光信号转换成电信号的关键核心部件。其性能优劣直接影响到整个探测系统。其中，灵敏度是衡量光电探测器的核心技术指标，标志着能够测量到的最小光功率。因此，为避免其被噪声信号湮没，低噪声光电探测器至关重要。因此，很有必要研制一种低噪声的光电探测器。

光电探测器的噪声来源复杂，通常采用暗电流衡量光电探测器的噪声。暗电流与光电探测器的光敏面积正相关，通过减小光敏面积可以降低噪声。然而减小光敏面积也会降低光收集效率，导致系统整体探测效率降低。相关技术中，在光电探测器中设置外部聚焦装置，对入射光进行聚焦，从而可以在保证光收集效率的基础上，实现降低光电探测器的噪声。但是，外部聚焦装置使用了大量透镜，存在体积大、笨重，难以与其他光电子器件集成的问题。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种超低噪声光电探测器，通过与光束尺寸变换功能的超表面微结构集成，在保证入射光通量的前提下，实现超低噪声光电探测，以解决现有半导体光电探测器所采用的外部聚焦装置存在体积大、笨重，难以与其他光电子器件集成的问题。具体技术方案如下：

本申请实施例提供一种超低噪声光电探测器，包括：

探测器本体；

超表面微纳结构，所述超表面微纳结构与所述探测器本体的光敏面耦合，用于将目标入射光的大光斑尺寸变换为与所述探测器本体的光敏面相匹配的小光斑尺寸。

本申请实施例提供的方案，通过超表面微纳结构实现目标入射光尺寸的缩小，从而减小了探测器中的电场体积，因此，在保证入射光通量的前提下，可以大幅减小噪声。由于超表面微纳结构的尺寸小、重量轻，可以非常方便地实现与其他光电子器件的集成。

在本申请的一些实施例中，所述超表面微纳结构包括：

间隔设置的顶镜和底镜；所述顶镜用于通过对所述目标入射光进行相位调制，使所述目标入射光聚焦到所述顶镜的焦点；

所述底镜与所述探测器本体的光敏面耦合，用于通过对所述目标入射光进行相位解调，使经过聚焦的所述目标入射光准直并出射至所述光敏面。

在本申请的一些实施例中，所述顶镜和所述底镜间隔预设距离，所述预设距离等于所述底镜的焦距和所述顶镜的焦距之和；

所述顶镜的直径大于所述底镜的直径，所述底镜的直径与所述光敏面的直径相同；所述顶镜的直径与所述底镜的直径之比等于所述顶镜的焦距和所述底镜的焦距之比；

所述顶镜和所述底镜的数值孔径相同。

在本申请的一些实施例中，所述顶镜和底镜均包括多个纳米柱，多个所述纳米柱呈多层同心的环形阵列排布。

在本申请的一些实施例中，多个所述纳米柱的高度相同，并且高度的取值范围为400nm～1000nm；

多个所述纳米柱的半径从环形阵列的中心向外依次减小，并且半径的取值范围为50nm～95nm。

在本申请的一些实施例中，所述顶镜和所述底镜满足目标相位

其中，

在本申请的一些实施例中，所述超表面微纳结构还包括：透明支撑层；

所述透明支撑层设置在所述顶镜和所述底镜之间；所述透明支撑层的厚度等于所述预设距离。

在本申请的一些实施例中，所述透明支撑层为石英层、SiO

在本申请的一些实施例中，所述超表面微纳结构还包括：连接层；

所述底镜通过所述连接层与所述探测器本体的光敏面耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本申请实施例提供的一种超低噪声光电探测器的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种超低噪声光电探测器x-z平面电场分布图；

图3是本申请实施例提供的一种超低噪声光电探测器在x-z平面中超表面微纳结构与探测器本体衔接处的电场放大图。

图中各标号的说明如下：

1—探测器本体；

2—超表面微纳结构，21—顶镜、22—透明支撑层，23—底镜、24—连接层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了解决现有半导体光电探测器所采用的外部聚焦装置存在体积大、笨重，难以与其他光电子器件集成的问题，本申请实施例提供一种超低噪声光电探测器。通过与光束尺寸变换功能的超表面微结构集成，在保证入射光通量的前提下，实现超低噪声光电探测。

如图1所示，本申请实施例提供的一种超低噪声光电探测器，包括探测器本体1和超表面微纳结构2。

超表面微纳结构2与探测器本体1的光敏面耦合，用于将目标入射光的大光斑尺寸变换为与探测器本体1的光敏面相匹配的小光斑尺寸。

图1中，箭头所指的方向即为目标入射光的传播方向。本申请实施例中，探测器本体1可以采用半导体探测器。探测器本体1的材料可以为Si、GaN、SiC、InGaAs、InP、GaO、GaAs、石墨烯、MnS

本申请实施例提供的方案，通过超表面微纳结构2实现目标入射光尺寸的缩小，从而减小了探测器中的电场体积，因此，在保证入射光通量的前提下，可以大幅减小噪声。由于超表面微纳结构2的尺寸小、重量轻，可以非常方便地实现与其他光电子器件的集成。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，超表面微纳结构2包括间隔设置的顶镜21和底镜23。顶镜21用于通过对目标入射光进行相位调制，使目标入射光聚焦到顶镜21的焦点；底镜23与探测器本体1的光敏面耦合，用于通过对目标入射光进行相位解调，使经过聚焦的目标入射光准直并出射至光敏面上。

需要说明的是，超表面微纳结构2作为次波源会辐射不同的相位，从而激发出不同半径的球面波，形成新的电磁波波前。本申请实施例提供的超低噪声光电探测器中，目标入射光照射到顶镜21后，经过顶镜21相位调制汇聚到焦点，之后继续发散为球面波，球面波经底镜23解调为平面波出射，入射光经顶镜21和底镜23先后实现聚焦和准直，可以使光束尺寸按照焦距比例变小。

由于探测器中电场体积可以随着入射到探测器中的光斑尺寸减小而减小，因此，本申请实施例提供的超低噪声光电探测器通过减小光斑尺寸可以有效降低器件噪声。

在本申请的一些实施例中，为了使目标入射光保持平行地出射，如图1所示，顶镜21和底镜23间隔预设距离，预设距离等于底镜23的焦距和顶镜21的焦距之和。顶镜21的直径大于底镜23的直径，底镜23的直径与入光端的直径相同；顶镜21的直径与底镜23的直径之比等于顶镜21的焦距和底镜23的焦距之比；顶镜21和底镜23的数值孔径相同。

在本申请的一些实施例中，顶镜21和底镜23均包括多个纳米柱，多个纳米柱呈多层同心的环形阵列排布。

由于本申请实施例提供的超低噪声光电探测器一般为偏振无关，因此，本申请实施例中纳米柱采用对称形状，例如可以采用横截面为圆形或长方形的柱体结构。当偏振相关时，纳米柱也可以选择横截面为长方形、椭圆形等非任意轴对称的形状。

在本申请的一些实施例中，多个纳米柱的高度相同，并且高度的取值范围为400nm～1000nm。多个纳米柱的半径从环形阵列的中心向外依次减小，并且半径的取值范围为50nm～95nm。

需要说明的是，由于多偶极子干涉使得正向散射的光被抵消，透射率曲线会出现谷值，大量的共振现象会导致相位曲线出现突变。因此，顶镜21和底镜23的纳米柱高度可以为400nm～1000nm，半径范围为50nm～95nm。

在本申请的一些实施例中，为了实现顶镜21的聚焦以及底镜23的准直，顶镜21和底镜23满足目标相位

其中，

f为顶镜21或底镜23的焦距；

λ为目标入射光的波长。

其中，上述条件为透镜实现聚焦必须满足的相位条件，即所有光线在焦点处发生相长干涉。

顶镜21或底镜23上的相位分布为

仅考虑相对相位时：

因此，可以得到

在本申请的一些实施例中，如图1所示，超表面微纳结构2还包括透明支撑层22。透明支撑层22设置在顶镜21和底镜23之间；透明支撑层22的厚度等于预设距离。

本申请实施例通过设置透明支撑层22，可以以透明支撑层22作为支撑的基础，非常方便的在透明支撑层22的两侧分别生成具有周期性排布纳米柱的顶镜21和底镜23。

在本申请的一些实施例中，透明支撑层22为石英层、SiO

在本申请的一些实施例中，如图1所示，超表面微纳结构2还包括：连接层24。底镜23通过连接层24与探测器本体1的光敏面耦合。

本申请实施例可以通过连接层24实现底镜23探测器本体1的光敏面的耦合。

在本申请的一些实施例中，连接层24为SiO

本申请实施例提供的一种超低噪声光电探测器，可以通过采用CVD(ChemicalVapor Deposition，化学气相淀积)方法在透明支撑层22正面和背面分别生长多晶硅等高折射率薄膜，再经过光刻和刻蚀工艺分别生成具有周期性排布纳米柱的顶镜21和底镜23来制备而成。

为了更好的理解本申请提供的超低噪声光电探测器，下面介绍一种具体的超低噪声光电探测器的制备方法，并对该方法制备的超低噪声光电探测器的电场分布进行仿真。

该超低噪声光电探测器中，如图1所示，顶镜21的直径D

步骤1、选用石英片作为透明支撑层22的材料，厚度为50μm；

步骤2、通过化学气相沉积法在透明支撑层22正面沉积700nm的TiO

步骤3、通过电子束光刻和干法刻蚀，在透明支撑层22正面和背面分别形成TiO

步骤4、通过透明胶或Cu-Cu键合的方式使探测器本体1与底镜23形成键合结构。

利用有限时域差分软件FDTD Solutions对该超低噪声光电探测器仿真的结果如图2和图3所示。图2是该超低噪声光电探测器在x-z平面的电场分布图的仿真结果，图3是超低噪声光电探测器中超表面微纳结构2与探测器本体1衔接处在x-z平面的电场放大示意图，即图2虚线框位置的电场分布图。其中，x-z平面是垂直于顶镜21或底镜23表面的平面。横轴x和左侧纵轴z表示超低噪声光电探测器各部分结构的位置坐标，右侧纵轴(Colorbar，颜色栏)的数值代表归一化电场大小。

从图中可以看出，入射光经过顶镜21和底镜23，都经历了垂直入射后，先聚焦，再发散，然后准直出射的过程，同时，出射光斑大小和底镜23尺寸吻合的很好，实现了减小光束直径的目的。通过仿真结果可以看出，本申请实施例提供的超低噪声光电探测器在保证入射光通量的前提下，可以大幅减小噪声。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。