[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010158921.6
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111463298B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佘峻聰;虞佳杰;黃一峰;鄧少芝;許寧生;陳軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0352;H01L31/09;H01L31/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 姚招泉

本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件及其制備方法；所述光電探測器為啞鈴形的一體化結(jié)構(gòu)，由中間的納米溝道和兩端的能夠米氏共振的天線單元構(gòu)成；所述納米溝道的長度為10～100nm，納米溝道最窄處的寬度為5～30nm。所述光電探測器工作時，納米溝道為感光結(jié)構(gòu)，天線單元為諧振結(jié)構(gòu)。探測光激發(fā)天線單元的米氏共振，光被局域至納米溝道內(nèi)部增強光吸收，產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)光電探測。本發(fā)明的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件由諧振結(jié)構(gòu)與感光結(jié)構(gòu)一體化集成，可增強半導(dǎo)體納米溝道光吸收，從而實現(xiàn)高量子效率、快速響應(yīng)、高靈敏度的光電探測，可在圖像傳感和片上通信等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件及其制備方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)比表面積大和尺寸小。基于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電探測器通常具有靈敏度高、集成度高，在圖像傳感和片上通信等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。然而，由于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的尺寸通常小于被探測光的波長，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)僅能吸收少部分被探測光，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換的量子效率和響應(yīng)度偏低。

增強半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光吸收是提高半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測響應(yīng)度和量子效率的主要技術(shù)方法之一。一種提高半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光吸收的方法是把半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)設(shè)計成光學(xué)諧振腔，使半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)同時具備感光和諧振功能；例如，具有波導(dǎo)模式的直立納米線或泄漏模式的平面納米線。然而，由于諧振波長取決于納米結(jié)構(gòu)的形狀及尺寸。對于特定尺寸的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，其高效的基模諧振波長僅有一個，因而僅能實現(xiàn)單一波長的光吸收增強。此外，隨著半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)尺寸的減小，諧振腔的共振波長藍移，導(dǎo)致諧振腔的共振波長與半導(dǎo)體的本征吸收波長不對應(yīng)。例如，對于直徑小于十納米的硅納米線，由于量子限域效應(yīng)，硅的能帶由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋叮蚨诳梢娭两t外波段存在光吸收并可實現(xiàn)光電探測。然而，由于硅納米線諧振腔的共振波長受納米線的直徑調(diào)節(jié)，亞十納米的硅納米線諧振腔的共振波長處于紫外波段，因而僅能增強亞十納米硅的紫外光吸收而無法增強其可見-近紅外波段的光吸收，其光電探測的量子效率仍然較低。

另一種增強半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光吸收的方法是利用具有局域表面等離激元效應(yīng)的貴金屬顆粒修飾半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)；其中貴金屬顆粒作為光學(xué)諧振腔，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為感光結(jié)構(gòu)。貴金屬顆粒處于局域表面等離激元共振時，局域光場可增強半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光吸收，同時等離激元退激發(fā)產(chǎn)生的熱電子亦可通過內(nèi)光電發(fā)射延長熱電子的壽命；上述兩個效應(yīng)協(xié)同作用，提高半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)度。此方法通過組合諧振結(jié)構(gòu)(貴金屬顆粒)和感光結(jié)構(gòu)(半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu))增強光吸收，提高了光電探測的響應(yīng)度。應(yīng)用中，可通過設(shè)計諧振結(jié)構(gòu)調(diào)整共振波長，無需改變感光結(jié)構(gòu)。例如，通過調(diào)節(jié)貴金屬顆粒的尺寸、形狀和組分，可以調(diào)節(jié)其局域表面等離激元的共振波長，進而實現(xiàn)貴金屬顆粒修飾的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在可見至近紅外波段的多個波長光吸收的增強。然而，由于探測中涉及金屬中的熱載流子注入至半導(dǎo)體，載流子壽命較長，因此基于貴金屬局域表面等離激元的金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的響應(yīng)速度通常較慢。

綜上所述，研制可有效提高響應(yīng)度，獲得高量子效率、快速響應(yīng)的光電探測器件仍是一個挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)利用同一結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)諧振與感光功能時存在的諧振波長與探測波長不匹配的問題，以及貴金屬顆粒修飾半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度較慢的缺陷，提供一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件。提供的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件為具備諧振功能的天線單元和具備感光功能的納米溝道集成的一體化同質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以增強半導(dǎo)體納米溝道的光吸收，進而實現(xiàn)高量子效率、快速響應(yīng)和高靈敏度的光電探測。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電探測器件，為啞鈴形的一體化結(jié)構(gòu)，由中間的納米溝道和兩端的能夠米氏共振的天線單元構(gòu)成；所述納米溝道的長度為10～100nm，納米溝道最窄處的寬度為5～30nm。

原理：