[發明專利]一種分光與探測功能一體的硅基可見光探測器

在審

• 申請號: 202210568552.7
• 申請日: 2022-05-24
• 公開（公告）號: CN115000200A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 王博之;吳志鵬;王琦龍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/105
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明公開了一種分光與探測功能一體的硅基可見光探測器，包括自下而上設置的底部電極、N型半導體層、本征半導體層、P型半導體層以及頂部電極；所述P型半導體層表面開設有周期性排列的孔陣列。其中光電響應的主體為PIN型光電二極管由P型硅層、N型硅層及中間本征硅層組成，并利用結構化的上層表面硅刻蝕制備周期排列的超表面陣列，該陣列利用Mie共振、電偶極子、磁偶極子中的一種或多種模式耦合作用，實現對入射光的分光效果后，由PIN結構對分光所得的特定波長進行光電轉化產生并儲存光生載流子，最后通過上下金屬電極結構施加的偏置電壓將光生載流子由光電流的形式讀出，實現分光與探測的功能一體化。

技術領域

本發明涉及光電探測器領域，尤其涉及一種分光與探測功能一體的硅基可見光探測器。

技術背景

光電探測器是光譜成像領域的核心器件，以能帶理論為基礎，將入射光信號轉換為電信號，實現光電轉換功能。傳統圖像傳感器中的光學濾波器受限于其體積大，質量重，耐受性差，光學衍射極限限制等諸多問題。因此急需設計基于新結構或者新原理的可以實現光譜分辨功能的新型窄帶光電探測器件。微納技術的發展為突破衍射極限實現高分辨率提供了一個新的途徑。而利用Mie共振的全介質顏色濾波器具有介電損耗小、色彩純度高等優勢。基于以上特性，全介質結構色具備替代傳統濾波結構的潛能。

最近，基于高折射率材料(硅、鍺)的全介質超表面折射率傳感器受到了研究者的廣泛關注。介質超表面是一種由周期排列的超原子構成的二維超材料結構。相比于其他的結構，高折射率材料的全介質超表面共振腔結構具有以下重要特性：損耗較小，能夠實現超高的品質因子和極大的局域場增強；光場主要束縛在器件內部，有利于增強材料內部光與物質的相互作用；與CMOS工藝兼容，制造成本低，有望實現大規模集成化生產。

發明內容

本發明提供了一種分光與探測功能一體的硅基可見光探測器，該結構由硅超表面周期陣列等全硅基結構組成，滿足可見光波段范圍下微型化高光譜探測的應用需要，同時與CMOS工藝兼容。

本發明的一種分光與探測功能一體的硅基可見光探測器，包括自下而上設置的底部電極、N型半導體層、本征半導體層、P型半導體層以及頂部電極；所述P型半導體層表面開設有周期性排列的孔陣列，所述周期性排列的孔陣列為超表面結構；其中N型半導體層、本征半導體層和P型半導體層組成PIN型的光電二極管結構。

當入射光照射到器件表面時，孔陣列首先對特定波長下產生米氏共振耦合，實現對入射光的分光效果，所述特定波長數值可通過輸入孔陣列參數后仿真得到，分光后，由PIN結構對分光所得的特定波長進行光電轉化產生并儲存光生載流子，最后通過底部頂部電極結構施加的偏置電壓將光生載流子由光電流的形式讀出，實現分光與探測的功能一體化。

進一步的，周期性孔陣列通過刻蝕而形成，周期為200～2000nm，刻蝕半徑為80～900nm，刻蝕深度與P型半導體的厚度相同，為100nm～5000nm。

進一步的，孔陣列中孔的結構為圓柱、三棱柱和四棱柱中的一種或多種的組合結構。

進一步的，N型半導體層與P型半導體層的厚度均為100nm～5000nm，其材料為氧化鋅、氧化鈦、硅、鍺、砷化鎵、磷化銦或銦鎵砷，其結構為任意一種上述材料的層狀結構，與本征半導體層組成PIN結型的偏置結構。

進一步的，本征半導體層用于對特定波長的光生電荷儲存，厚度為100nm～200nm，其材料為氧化鋅、氧化鈦、硅、鍺、砷化鎵、磷化銦或銦鎵砷。

進一步的，底部電極與頂部電極的厚度為50nm以上，其材料為金、銀、銅或者鋁中的一種或者多種上述金屬組成的合金。

有益效果：本發明的探測器無需表面濾光器或濾光結構，其自身兼具分光與探測功能。該集成化探測器具有微型化、集成化、可調諧的特征，在光電子器件及光譜成像領域具有很好的應用前景。

附圖說明