[發明專利]一種局域場增強的光電導型高速光電探測器

有效

• 申請號: 202211149831.6
• 申請日: 2022-09-21
• 公開（公告）號: CN115810680B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 劉文杰;傅開祥;郎鈺文;秦玉文;王云才
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0224;H01L31/115;H01L31/18;G02B5/00
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 張玲春

本發明公開了一種基于表面等離激元增強的光電導型新型結構高速光電探測器及其制備方法，器件結構從下至上包括：置于底部的襯底；置于所述襯底上方的下金屬電極；置于所述下金屬電極上方的半導體材料層，所述半導體材料層用于產生光生載流子，并在外加電場的作用下將光生電流輸運至兩側電極；置于所述半導體材料層上方的雙層金屬光柵電極，包含下層金屬光柵電極和上層金屬光柵電極；所述雙層金屬光柵電極通過外側環形電極進行電連接；所述雙層金屬光柵電極與所述下金屬電極分別構成探測器的正極和負極，用于為探測器加外置偏壓。本發明提供的基于表面等離激元增強的光電導型高速光電探測器，以解決傳統光探測器的響應速度低，轉換效率低的問題。

技術領域

本發明屬于半導體光電器件技術領域，主要涉及一種高速光電探測器及其制備方法。

背景技術

高速光電探測器是高速光電系統的關鍵器件。例如，在光纖通信系統的接收端，光電探測器能夠把調制的光信號轉換成電信號，是接收端的核心器件；在信號產生中，通過光束在光電探測器上拍頻可獲得高頻的電信號輸出。

目前報道的高速光電探測器主要有雪崩光電探測器(APD)、PIN光電探測器和單行載流子光電探測器(UTC-PD)。其中，APD在長距離光通信接收機、單光子探測等領域被廣泛應用，但由于雪崩建立時間較長而高速性能較差；PIN-PD由于空穴遷移率低，空穴從本征層進入P型層的渡越時間限制了其帶寬難以進一步提升；受到結電容的限制，探測器的響應速度難以提升。

光電導探測器可以響應太赫茲頻率的信號，具有高速的優勢。然而其半導體材料光吸收效率低，光電轉換效率低是制約其應用的關鍵性問題。

表面等離激元是由外部電磁場誘導金屬結構表面電子的集體振蕩現象，它可以突破衍射極限制約，在微納米尺度下增強光與物質的相互作用。近年來，隨著微納技術的發展，基于表面等離激元的微納米尺度光場控結構不斷被提出。通過合理的結構設計，可以將表面等離激元結構用于局域光場，提高半導體材料光吸收，從而提升光電探測器的響應度(Chem.Soc.Rev.2021,50(21):12070-12097)。

發明內容

本發明主要目的是提供一種基于表面等離激元增強的光電導型新型結構高速光電探測器，以解決傳統光探測器的響應速度低，轉換效率低的問題。

本發明的設計主要集中在探測器的重要組成部分之一的光吸收及載流子輸運部位的結構。

本發明提供的一種垂直型的光電導型高速探測器結構，從下至上包括：

置于底部的襯底，所述襯底可以為Si，Cu，SOI、Ni，GaAs，InP等較高熱導率的金屬或半導體材料的一種或幾種組合；

置于所述襯底上方的下金屬電極，所述下金屬電極作為垂直結構電極的下電極，進一步地，電極材料可為Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高電導率的金屬或金屬氧化物材料中的一種或幾種；

半導體材料層，位于所述下金屬電極上方，所述半導體材料層用于產生光生載流子，并在外加電場的作用下將光生電流輸運至兩側電極；可選擇的，所述半導體材料層包括下半導體層和上半導體光柵，進一步地，所述的半導體材料層的材料可為GaAs、AlAs、InAs、InGaAs、AlGaAs、InGaAsP等其中之一或多個的合金；

雙層金屬光柵電極，包含下層金屬光柵電極和上層金屬光柵電極。

所述下層金屬光柵電極位于半導體材料層之上，上半導體光柵之間；

所述上層金屬光柵電極位于上半導體光柵結構頂部；

所述雙層金屬光柵電極與所述半導體材料層形成歐姆接觸，當電磁波與微納尺寸的金屬結構(包括納米級顆粒、微結構等，此處為雙層金屬光柵電極)相互作用時，電子與電磁場耦合產生共振效應，即表面等離激元效應，表面等離激元效應會對入射光產生很強的吸收，同時在雙層金屬光柵電極間的上半導體光柵內部產生很強的電場。