[發明專利]一種紫外-可見-近紅外硅基光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011197948.2
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112331737B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 吳紹龍;周祿為;張程;李孝峰;李劉晶
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01L31/102
• 分類號: H01L31/102;H01L31/0224;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 蘇州智品專利代理事務所(普通合伙) 32345
• 代理人: 王利斌

本發明屬光電領域，公開了一種紫外?可見?近紅外硅基光電探測器及其制備方法，所述的光電探測器為復合層式結構，沿著光入射方向依次包括透明保護層、粘結劑、正面金屬薄膜層、無序納米碗陣列化硅基底、背面金屬薄膜層和底板。正面金屬薄膜和無序納米碗陣列層的復合結構可以顯著抑制200～2500nm波段范圍內的光反射，硅基底背面的金屬薄膜近乎完全反射到達硅基底界面的光子，使得器件整體的透射率接近零。利用無序納米碗陣列化硅基底及沉積于上的金屬薄膜對入射光子的高效吸收和光生載流子的有效收集，本方案可以在室溫、無外加偏壓下對紫外?可見?近紅外波段的光子實現顯著光電響應和有效探測，且對光子的偏振和入射角度不敏感。

技術領域

本發明屬光電領域，涉及一種光電探測器及其制備方法，尤其涉及超寬波段光子探測技術。

背景技術

光電探測器是一種能夠將光信號直接轉換為電信號的裝置，在光傳感、光通信、激光雷達、光譜檢測、紅外制導等民用和軍事領域均具有極廣泛的應用。它通常借助半導體材料的內光電效應將入射光子轉換為可移動和收集的載流子，從而形成與入射光波長和強度相關的光電流。

當前實際應用中，商用光電探測器面臨著越來越苛刻的應用需求和日益增加的挑戰，其某些性能指標(如光譜響應范圍、響應時間、靈敏度)亟需提升以滿足某些特殊場合的應用。硅基光電探測器是目前可見光波段應用最為廣泛的光子探測器，具有較高的響應靈敏度、可在室溫工作、高穩定性和成本低等優勢。然而，其缺點也很明顯，即響應波段受硅材料帶隙限制不能對波長大于1200nm的光子進行有效探測。實現超半導體帶隙限制的寬光譜光電響應的常用辦法是進行雙層或更多層寬帶隙與窄帶隙半導體材料的疊層設計。雖然這種設計能夠實現超寬波段的光子吸收，然而，由于單個入射光子只能被其中某一層半導體材料吸收，故光生電子或光生空穴必須穿過其他半導體材料層才能被外圍電路收集，導致器件的整體光響應度低、響應時間長。因而，在實際商用光電探測器中，幾乎沒有采用雙層或多層光吸收材料疊層結構作為器件核心的案例。此外，擴寬某一半導體材料的光子吸收效率或光譜范圍的辦法是在其表面引入金屬微納結構，如在硅表面修飾金屬納米顆粒，借助金屬納米顆粒的光散射效應或表面等離子效應，可以明顯增強和擴寬體系的光吸收波段，但能量小于硅帶隙的光子卻絕大部分被金屬納米顆粒吸收，這些被金屬納米顆粒吸收的光能往往轉換為熱量，無法有效轉換為電信號。

發明內容

本發明為解決現有技術中硅基光電探測器不能對波長大于1200nm的入射光子有效探測的技術問題。采用的技術方案如下：

一種紫外-可見-近紅外硅基光電探測器，所述的光電探測器為復合層式結構，其特征在于：沿著光入射方向依次包括透明保護層、粘結劑、正面金屬薄膜層、無序納米碗陣列化硅基底、背面金屬薄膜層、底板；其中所述的正面金屬薄膜層以無序納米碗陣列化硅基底為基底，并通過物理法沉積所得；所述的正面金屬薄膜層與無序納米碗陣列化硅基底形成肖特基接觸，所述的背面金屬薄膜層與無序納米碗陣列化硅基底形成歐姆接觸；且所述的正面金屬薄膜層作為探測器的前導電電極，所述的背面金屬薄膜層作為探測器的后導電電極。

優選地，所述的正面金屬薄膜層的厚度為5～50nm。由于正面金屬薄膜層沉積于硅納米碗陣列基底上，該金屬層的形貌并非平面結構，而是保有基底的微觀形貌特征，不僅有利于激發不同波長處的表面等離子激元共振，還可以促進入射光的散射與衍射。

優選地，所述的背面金屬薄膜層的厚度為50～5000nm。由于這個范圍的背面金屬薄膜層的厚度較大，設置于無序納米碗陣列化硅基底背面，透過硅基底的光子到達硅底部界面時，會被背面金屬薄膜層反射，再次回到器件內部，進而被硅基底或正面金屬薄膜層進行二次或多次吸收。

優選地，所述的無序納米碗陣列化硅基底上納米碗的直徑范圍為40～500nm，深度為50～1000nm，所有納米碗的投影面積之和占器件整體投影面積的填充比為50％～100％。

優選地，所述的正面金屬薄膜層的材質包括：金、鉑、銀、鋁、鈦中的任意一種。這幾種金屬均可以激發等離子共振效應。