一种砷化铟纳米结构及基于砷化铟纳米结构的红外探测器的制作方法

1.本发明属于红外探测器技术领域，尤其涉及一种砷化铟纳米结构及基于砷化铟纳米结构的红外探测器。


背景技术：

2.红外探测器因其在通讯、环境检测等领域广泛应用得到了极大的发展。目前的偏振敏感红外探测器主要由低维、高偏振的半导体材料制成，对于偏振敏感红外探测器的集成化、小型化具有重大意义。
3.当前，这些集成化、小型化的偏振敏感红外探测器很多都是基于各向异性几何结构。基于各向异性几何结构(如纳米线，超表面)制备的偏振敏感红外探测器二色性及红外波段吸收光谱窄，也即其吸收率低。


技术实现要素：

4.本发明提供一种砷化铟纳米结构和基于砷化铟纳米结构的红外探测器，旨在提高偏振及宽光谱红外探测器的吸收率。
5.本发明提供一种砷化铟纳米结构，包括：衬底和设置在所述衬底上的砷化铟结构，所述砷化铟结构至少包括一片状结构的砷化铟。
6.其中，所述片状结构的砷化铟的长度为2000nm，宽度为100nm，高度为5000nm。
7.其中，所述砷化铟结构的x轴阵列周期为2250nm，y轴阵列周期为1750nm，其中y轴与所述片状砷化铟所在平面垂直，x轴与y轴相互垂直，x轴与y轴组成的平面与所述衬底平行。
8.其中，所述砷化铟结构包括由三个片状结构砷化铟组成的三叶草结构。
9.其中，每个所述片状结构砷化铟的最优尺寸为：长度为1100nm，宽度为110nm，高度为5000nm，填充率为0.086。
10.其中，所述砷化铟结构包括由四个片状结构砷化铟组成的x网格结构。
11.其中，所述砷化铟结构包括由六个片状结构砷化铟组成的雪花结构。
12.其中，每个所述片状结构砷化铟的最优尺寸为：长度为800nm，厚度为110nm，高度为5000nm以及填充率为0.096。
13.其中，所述砷化铟结构为对称性结构。
14.本发明还提供一种基于砷化铟纳米结构的红外探测器，所述红外探测器包括如上所述的砷化铟纳米结构。
15.本发明所达到的有益效果：本发明提供一种砷化铟纳米结构，包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米级砷化铟结构，所述砷化铟结构至少包括一片状结构的砷化铟。本技术通过在衬底上阵列形成片状结构的砷化铟结构，阵列设置的纳米片也具有天然的谐振腔，可以容纳更多的谐振模式，这将极大的扩展吸收光谱，进而能够提高红外探测器的吸收率。此外，本发明还提供了一种三叶草砷化铟结构和雪花结构，三叶草结构相对片状结构具有
更高的偏振敏感探测能力以及更强、偏振和角度无关的的红外宽谱吸收能力，用于红外探测器上可以提高吸收率以及探测效率，并且拓宽了波谱；雪花结构相对三叶草结构效果更优。
附图说明
16.图1是本发明实施例提供的单个inas纳米片一结构示意图；
17.图2是本发明第一实施例提供的inas纳米结构示意图；
18.图3是本发明第二实施例提供的inas纳米结构示意图；
19.图4是本发明实施例中单个inas纳米片的偏振相关吸收光谱示意图；
20.图5是本发明实施例中不同尺寸inas纳米片的吸收率测试结构示意图；
21.图6是本发明实施例中不同尺寸inas纳米片的偏振特性曲线示意图；
22.图7是本发明实施例中最优尺寸inas纳米片阵列的吸收率曲线和偏振特性曲线图；
23.图8是本发明实施例提供的inas三叶草一结构示意图；
24.图9是本发明实施例提供的inas雪花网络结构示意图；
25.图10是本发明实施例提供的部分结构吸收特性示意图；
26.图11是本发明实施例中雪花结构吸收特性示意图
27.图12是本发明实施例提供的x结构一结构示意图；
28.图13是本发明实施例提供的x结构立体示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本技术的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本技术的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
31.参阅图1，图1为本发明两种实施例提供的inas纳米片结构示意图，本实施例提供一种砷化铟纳米结构，包括：衬底10和设置在所述衬底上的纳米级砷化铟结构20，所述砷化铟结构20至少包括一片状结构的砷化铟。
32.本实施例中在衬底上阵列设置片状结构的砷化铟结构，如图1所示，衬底上设置一片的砷化铟纳米片，砷化铟优于其他各向异性二维材料，比如黑磷，黑砷等材料制备的红外探测器性质不稳定，res2等等材料制备的红外探测器光响应速度慢，ges等材料制备的红外探测器二色性差，其次，其他基于各向异性几何结构(如纳米线，超表面)制备的偏振敏感红
外探测器存在二色性差，红外波段吸收差的缺点，而本发明则在衬底上阵列设置片状的砷化铟结构，则能够提升红外探测器的二色性，以及提升红外波段的吸收率。
33.同时，二维inas片状纳米结构相对一维inas线状纳米结构而言，具有天然的谐振腔，可以容纳更多的谐振模式，将极大的扩展吸收光谱。同时也继承了一维inas纳米结构探测器高吸收率、低暗电流、高响应度与高探测率的优点。
34.为将inas纳米片的优势应用于偏振检测，在本实施例中，可以预先进行仿真实验，使用有限元法(fem)和多物理场仿真软件comsol建立背景场/散射场模型。上述的衬底可以是inp衬底，在inp衬底上设置有一层二氧化硅(sio2材料)。首先可以利用麦克斯韦方程和菲涅尔方程在无inas纳米结构时，对inp衬底吸收的背景场进行计算。随后，在inp衬底上加入inas纳米结构，在基于背景场的基础上对散射场进行计算。基于图1的几何模型，单个inas纳米片的偏振相关吸收光谱如图4所示，其中为纳米片长边与入射光电矢量的夹角。当入射光的偏振方向由平行于纳米薄片宽度变为垂直于纳米薄片宽度时(角度从0
‑
900变化)，整个光谱的吸收强度有明显的下降趋势。定量地说，在2000～3000nm的波长范围内，吸收强度下降50倍以上。
35.进一步优化了inas单纳米片的长(l)，宽(w)和高(h)以进一步提高偏振敏感特性和吸收率。部分测试结果可以如图5和图6所示，从图5中可以看出：对于不同波长的波，吸收性能有差异，总体而言，在宽(100nm)和高(5000nm)不变时，长(l)在[1800nm
‑
2200nm]时吸收性能最优，在长(2000nm)和高(5000nm)不变时，宽度处于[900nm
‑
1000nm]时吸收性能最优，在长(2000nm)和宽(100nm)不变时，高(h)处于[3000nm
‑
6000nm]时吸收性能最优，对于同一尺寸的纳米结构，波长越长吸收率越低，最优单片尺寸为长为2000nm，宽为100nm，高为5000nm。对于偏振吸收部分结果如图6所示，对于同一尺寸的纳米结构，波长越长吸收率越高，在权衡吸收和偏振的基础上最优几何尺寸是长2000nm，宽100nm，高5000nm。此时纳米片的总吸收强度在2000nm
‑
3000nm波段内>35％，具有较高的吸收率以及宽光谱特性，偏振吸收比大于50且最大时超过200。
[0036]
在实际的光探测中，为提高吸收效率的提高，本发明将纳米片阵列设置在衬底上，纳米片阵列可以如图2和图3所示，可以将两片inas纳米片单排阵列设置在衬底上，同时对阵列的周期进行优化，本实施例中y轴与所述片状砷化铟所在平面垂直，x轴与y轴相互垂直，x轴与y轴组成的平面与所述衬底平行，如图1所示。由于inas纳米片的低对称性，在x和y方向上的周期是不同的，经过测试，最优阵列周期x为2250nm，周期y为1750nm。根据上述分析，inas纳米片阵列的最优几何参数如下：长2000nm，宽100nm，高5000nm，阵列周期x为2250nm，周期y为1750nm的吸收特性曲线和偏振特性曲线如图7所示，此时平行偏振光的吸收谱在2
‑
3微米全波段>60％，吸收率相比单纳米片有了显著提高。此时的偏振率在全波段均大于40，相比于单纳米片略微降低，但是吸收率的显著提高使得阵列结构能广泛应用于偏振探测领域。
[0037]
进一步地，由于自然界中的光线多为自然光，为了宽谱探测的实际应用，实现各个角度偏振光线的宽光谱吸收，从inas纳米片选择性外延生长的实际出发，同时考虑设计的几何对称性以提高综合性能。
[0038]
具体地，如图8所示，三叶草网格可以纳米片吸收具有偏振的缺点，这是由于三叶草结构的几何对称性极高，对于任意角度偏振光线的光场调控具有相同的影响，表现出各
偏振角度吸收谱的等效性。在三叶草单位吸收良好的基础上，我们进一步组成三叶草网格(三片inas围绕1中心轴构成三叶草网格)。在这个阵列中，几何参数包括三叶草的长度、厚度和高度，可以用来优化吸收效率。为了比较纳米线、纳米片和纳米膜在相同材料体积下的吸收效率，我们引入填充因子(f)的概念来表示阵列的密度。显然，这里有两个不同的截面存在:几何截面(σ
g
)和周期截面(σ
p
)。填充率的定义为f＝(σ
g
)/σ
p
)。相同的f表示纳米线、纳米片阵列的体积相同。由f计算出对应的纳米线阵列的节距尺寸和薄膜厚度，其中周期截面为如图8中所示的虚线六边形的面积，几何截面为虚线六边形中灰色部分面积。综合考虑制备工艺和材料利用率的因素，三叶草阵列的最佳参数为长度为1100nm、厚度为110nm、高度为5000nm，三叶草阵列的填充率(f)为0.086。
[0039]
其他类型的对称纳米片阵列也可以用于实验，适合消除偏振敏感吸收，如图9所示的雪花型网格，雪花型网格由六个片状结构砷化铟围绕一中心轴组成的雪花结构，这种结构也相当于由两个三叶草结构在180
°
嵌套构成的。雪花网络的最优参数与三叶草单位略有不同，长度为800nm，厚度为110nm,f值为0.096。三叶草和雪花纳米网格获得的最佳吸收率如图10所示。三叶草网络在2000
‑
3200nm的全工作带吸收率>60％，最高的吸收率为92％。雪花型网格在2000
‑
3200nm的全工作带吸收>达到80％，最高吸收率为90％。两种结构包括不同的吸收机制。三叶草阵列主要表现为多模耦合成纳米片的吸收增强，而雪花网络主要表现为陷光结构的吸收增强，这是雪花网络吸收更广更平滑的原因。对于相同f为0.096时，可以调整不同直径纳米线的间距达到相同的体积。对于直径为200nm、300nm和400nm的纳米线阵列，间距分别为578nm、867nm和1156nm，代表了相当致密的纳米线阵列。图10(其中三叶草(长1100nm，宽120nm，高5000nm)，雪花型网格(长800nm，宽110nm，高5000nm)与等体积的纳米线阵列以及等效薄膜的吸收谱对比(f＝0.096)，f为填充率)中，纳米线阵列的吸收峰很窄，随着探测波长的增加，吸收速率迅速下降。对于400nm的大直径，其吸收效率最高，但仅在较窄的波长范围内。总的来说，吸收光谱远小于纳米片阵列。对于厚度为480nm的等效纳米膜，其吸收光谱比基于纳米膜阵列的吸收光谱低3
‑
4倍。这些结果表明，二维纳米片阵列比一维纳米线阵列和纳米膜具有更高的吸收。同时，我们研究了不同入射光角度下雪花型网格的吸收特性，如图11所示。雪花网络实现了入射角0
°
到45
°
大于80％的角度不敏感的宽谱吸收，在实际红外光探测中更有优势。这些模拟表明，纳米形状工程为纳米结构阵列的吸收调制提供了一种简单的方法。我们的结构为探测器提供了一个宽带、偏振无关和角度不敏感的红外探测设计。
[0040]
作为一实施例，纳米片还可以组合成其他结构，如图12和图13所述，所述砷化铟结构还可以包括由四个片状结构砷化铟组成的x网格结构，x网格结构的吸收率和偏振性能处于三叶草和雪花网络之间，x网格结构优选具有对称性。
[0041]
本发明实施例还提供一种基于二维inas纳米结构的红外探测器，包括上述任一项实施例所述二维inas纳米结构。该红外探测器继承了inas纳米线几何各向异性所带来的偏振特性，且制备的偏振敏感红外探测器具有高吸收、宽光谱、偏振敏感及工作介质少(阵列的填充率低)的特点。
[0042]
其次，通过提供inas纳米三叶草结构阵列、inas纳米雪花结构阵列等结构可以消除偏振敏感吸收，且增加的几何对称性可以接近100％地避免偏振敏感吸收，在inas纳米片阵列中获得的吸收效率远远大于等体积的inas纳米线和inas纳米膜，实现可见光到中波红
外偏振和入射光角度不敏感的宽谱吸收。可见，本发明实施例提供的基于二维inas纳米结构的红外探测器能够具有更高的吸收效率，并具备更好的探测效果。根据上述说明，需要强调的是上述单片结构，三叶草，雪花结构等都可以仅设置一个在衬底上，也可以设置多个在衬底上，在其他实施例中可以选择单片结构/三叶草/雪花结构中的一种或者多种设置在衬底上。为进一步提升效果，设置多个结构时可以将多个单片结构/三叶草/雪花结构等阵列设置在衬底上。
[0043]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。