阅读说明：本技术 一种非制冷超宽光谱光电转换器及阵列探测器 (Uncooled ultra-wide spectrum photoelectric converter and array detector ) 是由 吴东 于 2020-02-27 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种非制冷超宽光谱光电转换器及阵列探测器,旨在解决现有技术中光电转换工质的材料,无法兼具覆盖波长范围宽和灵敏度的问题。非制冷超宽光谱光电转换器,包括绝缘基底、光电转换工质、感光端电极和冷端电极；光电转换工质为三维狄拉克半金属。非制冷超宽光谱阵列探测器,由若干个非制冷超宽光谱光电转换器集成而成。光电转换工质采用三维狄拉克半金属：光电转换探测器同时具有光电和光热电复合效应,可以感光的范围包含紫外、可见、近红外、中红外、远红外、太赫兹波段,可以感光超宽的光谱；且有较高的灵敏度。三维狄拉克半金属作为光电转换工质,可以直接利用光电转换工质材料本身作为吸光媒质,从而提高探测器光响应度和速度。(The invention provides an uncooled ultra-wide spectrum photoelectric converter and an array detector, and aims to solve the problem that a material of a photoelectric conversion working medium in the prior art cannot cover both wide wavelength range and sensitivity. The uncooled ultra-wide spectrum photoelectric converter comprises an insulating substrate, a photoelectric conversion working medium, a photosensitive end electrode and a cold end electrode; the photoelectric conversion working medium is a three-dimensional Dirac semimetal. The uncooled ultra-wide spectrum array detector is formed by integrating a plurality of uncooled ultra-wide spectrum photoelectric converters. The photoelectric conversion working medium adopts three-dimensional Dirac semimetal: the photoelectric conversion detector has photoelectric and photothermal-electric composite effects, can sense light in a range including ultraviolet, visible, near-infrared, intermediate-infrared, far-infrared and terahertz wave bands, and can sense ultra-wide spectrum; and has higher sensitivity. The three-dimensional Dirac semimetal is used as a photoelectric conversion working medium, and a photoelectric conversion working medium material can be directly used as a light absorption medium, so that the light responsivity and the speed of the detector are improved.)

一种非制冷超宽光谱光电转换器及阵列探测器

技术领域

本公开属于光电探测器领域，具体涉及一种非制冷超宽光谱光电转换器及阵列探测器。

背景技术

光电探测器的工作原理是辐射引起被照射材料的电学、热学等物理性质发生改变，在军事和国民经济的各个领域应用广泛。

目前，由于受到材料电子能带带隙的限制，传统的半导体光电探测往往只能覆盖有限波长区域，特别在中长红外波段，一直存在非制冷(室温)条件下探测率低等诸多技术瓶颈。另一方面，传统的金属或半金属虽然无带隙，但光电效应低、暗电流大，明显制约了其响应度的提升。因此，能利用特殊半金属探测器的宽波段响应的独特优势，而又能将灵敏度提高到实用化水平，一直是光电子学领域的一个重要难点。

此外，光热释电型光电转换器的感光区和非感光区基本是位于同一平面上，由于在恒定的感光范围下，非感光区占据一定的感光范围，导致感光范围内感光区的面积会缩小，光能吸收率及空间集成度较低。

发明内容

本公开提供了一种非制冷超宽光谱光电转换器及阵列探测器，旨在解决现有技术中光电转换工质的材料，无法兼具覆盖波长范围宽和相应速度快的问题。

为了解决上述技术问题，本公开所采用的技术方案为：

一方面，本公开提供了一种非制冷超宽光谱光电转换器，包括绝缘基底、光电转换工质、感光端电极和冷端电极；所述光电转换工质覆设在绝缘基底上；

所述光电转换工质包括感光区和与感光区相连的非感光区；光电转换工质两端分别为位于感光区一端的感光端和位于非感光区一端的冷端，感光端电极与感光端相连，冷端电极与冷端相连；所述光电转换工质为三维狄拉克半金属。

进一步改进的方案：所述感光区和非感光区相互垂直且构成L形。

光电转换工质为由感光区和垂直于感光区的非感光区的L形，光电转换工质两端分别为位于感光区一端的感光端和位于非感光区一端的冷端；一方面，非感光区不会占据感光范围，感光范围完全由感光区占据，光能吸收率高；另一方面，可以使光电转换工质冷端避开感光区辐射区，避免冷端收光照射的影响。

进一步改进的方案：所述绝缘基底为具备电绝缘和/或热绝缘的绝缘基底。

进一步改进的方案：所述感光区的上表面设有抗反膜；所述感光区的下表面设有增反膜；所述感光区的感光面为黑化面，或者，感光区的感光面为磨砂面。

光电转换工质在晶体形态下的表面通常非常光滑，对光别是中远红外的光具有非常大的反射率，被反射的光逸出探测器造成探测率低下；设置抗反膜可以将被反射的光重新反射至光电转换工质感光区重新吸收；增反膜可以将穿透光电转换工质的光重新反射至感光区重新吸收；感光区的感光面设置为黑化面或磨砂面，可以减少感光区的反射；可以将光电转换工质对光的吸收率提高到90％以上。

进一步改进的方案：所述冷端连接有热沉基底；所述热沉基底由导热材料制成。可以使冷端与环境温度保持一致。

进一步改进的方案：光电转换工质厚度范围为50nm-1μm。

对于一个感光区，其感光面积通常是一定的，可通过减小感光区工质厚度至光学穿透深度附近以降低感光端工质的质量，单位光照相等的情况下温差越大，则探测器响应电压信号越大。

进一步改进的方案：所述感光区与绝缘基底之间设有绝热层和/或架空层。可以减少感光区的热量直接向周围环境流失。

进一步改进的方案：三维狄拉克半金属为化合物HfTe₅或化合物ZrTe₅，本身可直接作为多光谱吸收材料，同时具有光电和光热释电复合效应，综合光-电转换能力强。同时，三维狄拉克半金属具有电荷迁移率大的本质属性，导电能力强，热电子传输速度快，从而探测器的综合响应速度更快。

进一步改进的方案：三维狄拉克半金属中掺杂有主族元素，通过掺杂对电学、热学性质的改性，进一步优化感光材料的光电转换能力。

三维狄拉克半金属中掺杂有主族元素可以改善三维狄拉克半金属的性能，具体的主族元素，可以根据不同的应用场合进行相应的调整。

另一方面，本公开还提供了一种非制冷超宽光谱阵列探测器，由若干个上述任一方案所述的非制冷超宽光谱光电转换器集成或拼接而成，所述每个光电转换工质的感光区均位于同一平面上。

本公开的有益效果为：

本公开中的光电转换工质采用三维狄拉克半金属，解决了现有技术中光电转换工质的材料，无法兼具覆盖波长范围宽和相应速度快的问题。本公开具备以下优点：1、采用三维狄拉克半金属材料，光电转换器探测器可以直接感光的范围包含紫外、可见、近红外、中红外、远红外、太赫兹波段，可以感光超宽的光谱。2、三维狄拉克半金属具有电荷迁移率大的本质属性，导电能力强，热电子传输速度快，从而探测器的综合响应速度更快。3、三维狄拉克半金属材料本身可以直接吸收超宽范围的光，采用三维狄拉克半金属材料作为光电转换工质，可以直接利用光电转换工质材料本身作为吸光媒质。减小附加吸光层的使用量，进一步减少吸光媒质总质量，从而单位光照通量情况下温差越大，则探测器响应电压信号越大。4、光电转换工质即可在零偏压工作，也可在一定偏压下工作。5、采用的三维狄拉克半金属材料本质具有光电和光热释电复合效应，热导率高，光-电转换能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关附图。

图1是本公开中实施例一非制冷超宽光谱光电转换器的侧面的结构示意图。

图2是本公开中非制冷超宽光谱光电转换器的正面的结构示意图。

图3是本公开中非制冷超宽光谱光电转换器的顶面的结构示意图。

图4是本公开中设有悬空层的非制冷超宽光谱光电转换器的侧面的结构示意图。

图5是本公开中非制冷超宽光谱阵列探测器的结构示意图。

图6是本公开中非制冷超宽光谱阵列探测器的工作原理示意图。

图中标号说明：

1-光电转换工质；11-感光区；12-非感光区；2-绝缘基底；3-热沉基底；4-感光端电极；5-冷端电极；6-抗反膜；7-增反膜；8-悬空层。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，并不用于限定本公开。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开的保护范围。

实施例一：

参阅图1至图3，本实施例中公开的非制冷超宽光谱光电转换器，包括绝缘基底2、光电转换工质1、感光端电极4和冷端电极5；所述光电转换工质1覆设在绝缘基底2上；

所述光电转换工质1包括感光区11和与感光区11相连的非感光区12构成；光电转换工质1两端分别为位于感光区11一端的感光端和位于非感光区12一端的冷端，感光端电极4与感光端相连，冷端电极5与冷端相连；所述光电转换工质1为三维狄拉克半金属。

其中，所述绝缘基底2为具备电绝缘和/或热绝缘的绝缘基底2。

在上述任一方案的基础中，感光区11和非感光区12相互垂直且构成L形。参阅图1，本实施例中，感光区11覆设在绝缘基底2的顶部，非感光区12覆设在绝缘基底2的侧面上。

参阅图1，为了提高感光区11的光吸收率，在上述方案的基础上，可以在感光区11的上表面设置抗反膜6；或者，在所述感光区11的下表面设有增反膜7；或者，对所述感光区11的感光面设置为黑化面，或者，感光区11的感光面设置为磨砂面；也可以对上述任一方案进行组合使用。

在上述任一方案的基础上，所述冷端连接有热沉基底3；所述热沉基底3由导热材料制成，可以使冷端与环境温度保持一致。具体的，热沉基底3位于绝缘基底2的底部。

在上述任一方案的基础上，光电转换工质1厚度范围为50nm-1μm。对于一个感光区11，其感光面积通常是一定的，可通过减小感光区11工质厚度至光学穿透深度附近以降低感光端工质的质量，单位光照相等的情况下温差越大，则探测器响应电压信号越大。

参阅图4，在上述方案的基础上，所述感光区11与绝缘基底2之间设有绝热层和/或悬空层8。可以减少感光区11的热量流失。

进在上述任一方案的基础上，所述光电转换工质1的材料为三维狄拉克半金属；本实施例中的三维狄拉克半金属可以为化合物HfTe5或化合物ZrTe5等。为了进一步改善三维狄拉克半金属的性能，还可以在三维狄拉克半金属中掺杂有主族元素，可以改善三维狄拉克半金属的性能，具体的主族元素，可以根据不同的应用场合进行相应的调整。

下面结合热堆型光电探测器温差对响应幅值的影响对本实施例做进一步说明：

热堆型探测器工作时，热电转换工质感光端由于光吸收而温度升高，与冷端形成温度差，从而产生电压信号输出。输出的电压V与温差ΔT之间的关系为：

V＝SΔT

其中，S为工质的热电系数。对于一定的材料而言，热电系数S为固有的物理量。所以，单位光照通量情况下温差ΔT越大，则探测器响应电压信号越大，响应度越高。

探测器在无光照情况下，感光端和冷端温度相同。光照情况下，感光区11温度的升高ΔT与入射能量的关系为：

ηW＝Cm mΔT+GΔT

其中，W为入射能量，η为吸收率，Cm为工质比热容，m为受光照区域工质的质量，G为感光单元与环境衬底间的热导。

可见，在单位入射能量下，吸收率越大，温度升高越大；工质光吸收端的质量越小，则产生的ΔT越大；G越小，则在光照时间内向环境损失的热量越小，ΔT越大。

本公开中将光电转换工质1厚度范围为50nm-1μm，该范围的感光区11工质厚度位于光学穿透深度附近，相对于现有的光电转换工质1厚度较薄，由于感光区11面积通常是一定的，因此可以减小工质光吸收端的质量，单位光照通量情况下温差ΔT越大。

对于现有的探测器，因为所用工质通常为半导体材料，而半导体材料对中远红外波段的光吸收率低，所以其光吸收端需要额外施加光吸收涂层来确保对长波长波段的吸收。施加的涂层大大增加了感光区11的质量。而本公开中，光电转换工质1采用三维狄拉克半金属材料，三维狄拉克半金属材料本身可以直接吸收超宽范围的光，可以直接利用光电转换工质1材料本身作为吸光媒质。减小附加吸光层的使用量，进一步减少吸光媒质总质量，从而单位光照通量情况下温差ΔT越大。

下面结合光吸收率对本实施例做进一步说明：

由于半金属因为没有能隙，所以可直接吸收中远红外直至太赫兹的光。光吸收率η与反射率R及透射率T的关系为：

η＝1-R-T

本公开中，通过在感光区11的上表面设置抗反膜6；或者，对所述感光区11的感光面设置为黑化面，或者，感光区11的感光面设置为磨砂面；可以降低反射率R。在所述感光区11的下表面设有增反膜7；可以增加二次吸收，减少透射光损失。从而可以提高光吸收率η。

本公开利用三维狄拉克半金属同时具有较高热电系数的材料作为感光工质，材料吸收的光一部分直接转换为光电信号，一部分通过光-热-电的能量转换途径转换为电信号。这类材料在低能量区域具有狄拉克型的线性电子能带色散关系。因为带隙为零，可以直接吸收并响应低能量光子如中远红外和太赫兹波段的光。同时，材料在较高能量区域有宽泛的态密度分布，可以通过带间跃迁吸收实现对高能量光子的响应。一方面，吸收的光一部分直接诱导光电导或光电压效应，产生电信号输出。另一方面，工质吸收的光可通过能量传递途径转换为热，使吸收区温度升高，通过热电效应，在工质两端形成电势差，产生电信号输出。光热释电效应为主要效应，直接光电(包括光电导或光电压)效应为辅助效应，两方面效应的共同作用，增强工质在超宽光谱范围的光响应能力。

实施例二：

参阅图5，本实施例提供了一种非制冷超宽光谱阵列探测器，由若干个上述任一方案所述的非制冷超宽光谱光电转换器集成或拼接而成，所述每个光电转换工质1的感光区均位于同一平面上。

参阅如6，在工作时，辐射光经过透镜进入探测器，然后再通过信号放大器进行信号放大。

本公开不局限于上述可选实施方式，在互不抵触的前提下，各方案之间可任意组合；任何人在本公开的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本公开权利要求界定范围内的技术方案，均落在本公开的保护范围之内。