CN106409938A - 一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器及其制备方法，所述光电探测器包括自下而上依次设置的表面为三维纳米锥阵列结构的金属衬底、禁带宽度大于入射光子能量的半导体薄膜层、金属薄膜层。本发明提供一种制备这种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器的方法，制备方法包括在铝衬底上制备多孔阳极氧化铝薄膜，然后去除铝衬底表面的阳极氧化铝薄膜，然后再制备半导体薄膜层、金属薄膜层。该三层结构构成超表面结构，通过控制金属薄膜层厚度、半导体层材料厚度或者纳米锥的结构参数可以调控超吸收的吸收频段。此种光电探测器制备工艺简单，便于大面积制备，无需复杂的微纳加工技术，即可实现高效宽波段宽角度光电探测。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体是一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器及其制备方法。
背景技术
利用金属纳米结构的等离激元共振衰减产生的热电子注入到相邻半导体产生光电流，实现固态光电探测器件，首次被Halas课题组证实(《Science》第332卷，702页)，利用此种原理的光电探测，其探测波段不受限于半导体的禁带宽度，而是由金属半导体之间形成的肖特基势垒决定，而且其响应光谱可以通过改变金属纳米结构或者材料来调控。虽然基于此种原理具有很多优势，但是基于金属纳米结构的热电子原理实现光电探测的光电转换效率与现有的光电探测器件相比还具有很大差距。因此各种提高转换效率的方案先后被提出，包括超表面完美吸收层结构(《Nano letter》第14卷，3510页)，纳米凹槽阵列结构(《Nature Communication》第5卷，3288页)等。
虽然上述这些技术通过超表面或者谐振腔的效应都展示了一定程度上的光吸收性能和探测性能的提升，然而技术工艺的复杂度以及其在宽波段和宽角度性能提升的限制需要业界进一步探索更有效的方案。
作为阳极氧化工艺制备AAO膜的副产物，利用湿法刻蚀去除上层氧化铝孔薄膜得到铝衬底表面由大面积的三维锥形阵列和凹槽阵列组成，在其表面蒸镀其他薄膜结构之后，将具有良好的宽波段宽角度的减反特性和吸收特性，该铝衬底制备工艺简单，而且便于大面积制备，纳米锥阵列和凹槽的结构参数可以通过制备工艺简单灵活地调控。
发明内容
发明目的：本发明针对现有基于热电子原理光电探测器的窄波段，角度敏感以及制备工艺复杂的缺点，提出一种利用简单成熟低成本制备得到锥形超表面结构，设计了一种宽光谱宽角度的光伏型光电探测器。
技术方案：
一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器，包括自下而上依次设置的金属衬底、半导体薄膜层以及金属薄膜层；所述金属衬底的表面为三维纳米锥阵列结构；所述半导体薄膜层材料的禁带宽度大于入射光的光子能量。
所述金属衬底上的三维纳米锥的高度在100-1000nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在100-2000nm之间；所述半导体薄膜层的厚度在20-100nm之间；所述金属薄膜层的厚度在15-50nm之间。
所述金属薄膜层的材料为金、银、铝、铜、铂，钛，或由上述金属组成的合金。
所述半导体薄膜层材料为二氧化钛；所述金属薄膜层材料为金；所述金薄膜层的厚度为20nm，所述二氧化钛半导体层的厚度为40nm；所述三维纳米锥阵列为非周期性阵列，高度在100-500nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在100-500nm之间。
所述半导体薄膜层材料为硅；所述金属薄膜层材料为金；所述金薄膜层的厚度为15nm，所述硅薄膜层的厚度为50nm；所述三维纳米锥阵列为非周期性阵列，高度在500-1000nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在1000-2000nm之间。
所述金属衬底为铝衬底或为表面制备有其他金属膜的铝衬底，所述金属膜材料为金、银、铝、铜、铂，钛或由上述金属组成的合金。
所述金属衬底的表面的三维纳米锥为圆锥、三棱锥、四棱锥或其他多棱锥，所述三维纳米锥的锥面为凹面、平面或者凸面。
一种基于锥形超表面结构的光电探测器的制备方法，包括步骤：
①将表面抛光的铝箔作为衬底，并用阳极氧化工艺在其表面制备一层多孔阳极氧化铝薄膜；
②将铝衬底上层的多孔阳极氧化铝薄膜用腐蚀液去除，得到表面为三维纳米锥阵列的铝衬底；
③在铝衬底上利用半导体薄膜沉积的方法制备半导体薄膜层；
④在半导体薄膜层上通过金属薄膜沉积的方法制备金属薄膜层。
有益效果：1、相对于传统的基于光生电子空穴原理的光电探测器件，本探测器的工作机制是基于金属纳米结构的等离激元共振衰减形成的热电子原理，因此可以通过结构设计实现光电响应谱的调节而不依赖与半导体材料的禁带宽度。另外此锥形超表面结构，避免了共振引起的窄波段吸收缺点，实现宽波段光电探测，另外锥形结构的吸收对角度不敏感，实现宽角度的高效光电探测。
2、金属薄膜层即作为光吸收层提供热电子，又与铝衬底之间连接形成回路，收集电子，将不存在热电子供应的问题，而且由于金属层和半导体层之间形成肖特基异质结和内建电场，将无需外加电源即可实现光电探测。
3、此种锥形表面结构利用阳极氧化工艺和薄膜蒸镀工艺，无需高精度的微纳加工工艺，便于大面积制备。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中1-铝衬底，2-半导体薄膜层，3-金属薄膜层；
图2是本发明的等离激元热电子产生输运隧穿注入原理示意图；
图3是本发明的制备方法各个步骤对应的剖面图；
图4是本发明的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图；如图1所示，本发明基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器包括自下而上依次设置的表面为三维纳米锥阵列结构的金属衬底1、材料禁带宽度大于入射光的光子能量半导体薄膜层2以及金属薄膜层3。该三层结构构成锥形超表面结构，通过控制金属薄膜层厚度，半导体层材料厚度或者三维纳米锥的结构参数可以调控超吸收的吸收频段，此超表面结构可以实现宽波段宽角度的高效光吸收，并将等离激元共振吸收的光转换为热电子注入到半导体中，转换为光电流，实现了宽波段宽角度的高效率光电探测。
具体的，该锥形超表面结构中的半导体薄膜层2厚度在20-100nm之间,上层金属薄膜层3的厚度在15-50nm之间。三维纳米锥阵列既可以是周期性阵列，也可以是非周期性阵列，三维纳米锥的高度在100-1000nm之间，三维纳米锥之间的间距保持在100-2000nm之间。半导体薄膜层2材料的禁带宽度需要大于工作波段入射光的光子能量，对不同波段的入射光有所不同。如当入射光为可见光时，半导体薄膜层2为氧化锌(ZnO)或二氧化钛(TiO2)等宽禁带半导体；当入射光为红外光时，半导体薄膜层2为硅(Si)或氧化锌(ZnO)或二氧化钛(TiO2)。金属薄膜层3既作为光电探测的电子输出极，又作为超表面结构中的光吸收层，将等离激元共振吸收的光转换为高能热电子注入到相邻的半导体薄膜层中。金属薄膜层的材料为金、银、铝、铜、铂，钛，或由上述金属组成的合金。锥形超表面结构所选用的各层材料要保证金属薄膜层和半导体薄膜层之间形成肖特基接触，而半导体薄膜层和金属衬底之间要形成欧姆接触。
在本发明中，金属衬底为铝衬底或为表面制备有其他金属膜的铝衬底，所述的金属膜材料为金、银、铝、铜、铂，钛或由上述金属组成的合金。金属衬底的表面的三维纳米锥为圆锥、三棱锥、四棱锥或其他多棱锥，所述三维纳米锥的锥面为凹面、平面或者凸面。
器件的具体工作原理为：当入射光入射到探测器锥形上表面时，由于圆锥形的超表面结构不同于利用普通等离激元共振模式或者谐振腔只能在单一波长或者单一入射角度才能实现超吸收的超表面结构，此种锥形结构能够实现的宽波段宽角度的超吸收，上层金属薄膜结构吸收的光辐射能量传递给薄膜金属的导带上电子，电子能量随即升高，成为热电子(如图2中步①)。之后具有高能量的热电子输运到金属半导体界面(步②)，最后热电子跃迁或隧穿肖特基势垒注入到相邻的半导体材料中去(步③)，如被外电路收集将会产生电流信号。因此本发明可以实现宽波段宽角度的光电探测。
另外本发明还提供一种该基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器的制备方法，包括依次进行的如下步骤(如附图3)：
①将表面抛光的铝箔作为衬底，并用阳极氧化工艺在其表面制备一层多孔阳极氧化铝薄膜；
②将铝衬底上层多孔阳极氧化铝薄膜用腐蚀液去除，得到表面为三维纳米锥阵列的铝箔衬底；
③在衬底上利用半导体薄膜沉积的方法制备半导体层；
④在半导体层上通过金属薄膜沉积的方法制备金属层。
下面结合实例图介绍具体的实施例。
实施例一
为实现一种适用于可见光区宽光谱宽角度的光电探测器，本实施例基于锥形超表面结构的光电探测器包括表面为三维纳米锥阵列结构的铝衬底，二氧化钛半导体层，金薄膜层。其中金薄膜层的厚度为20nm，二氧化钛半导体层的厚度为40nm。纳米锥阵列为非周期性阵列，纳米锥的高度在100-500nm之间，纳米锥之间的间距保持在100-500nm之间。
当可见光全波段光入射到探测器锥形上表面时，由于圆锥形的超表面结构不同于利用普通利用等离激元共振模式或者谐振腔只能在单一波长或者单一入射角度才能实现超吸收的超表面结构，此种锥形结构能够实现的宽波段宽角度的超吸收，
上层金属薄膜结构吸收的光辐射能量传递给金薄膜的导带上电子，电子能量随即升高，成为热电子(如图2中步①)。之后具有高能量的热电子输运到金薄膜/二氧化钛(步②)，最后热电子跃迁或隧穿肖特基势垒注入到铝衬底中(步③)，如被外电路收集将会产生电流信号。因此本发明可以可见光全波段宽角度的光电探测。
本实施例由如下制备工艺方法实现(参照附图3)：
(1)将表面抛光的铝箔作为衬底，并用阳极氧化工艺在其表面制备一层多孔阳极氧化铝薄膜；
(2)将铝衬底上层多孔阳极氧化铝薄膜用腐蚀液去除，得到表面为三维纳米锥阵列的铝箔衬底；
(3)在衬底上利用电子束蒸发沉积二氧化钛薄膜；
(4)在二氧化钛薄膜上上通过磁控溅射沉积金薄膜层。
实施例二
为实现一种适用于近红外区宽光谱宽角度的光电探测器，不同于实施例1，本实施例的半导体薄膜层采用为硅薄膜，具体的结构参数为金薄膜层厚度为15nm，硅薄膜层的厚度为50nm。纳米锥阵列为非周期性阵列，纳米锥的高度在500-1000nm之间，纳米锥之间的间距保持在1000-2000nm之间。当红外区的入射光探测器表面，由于圆锥形的超表面结构不同于利用普通利用等离激元共振模式或者谐振腔只能在单一波长或者单一入射角度才能实现超吸收的超表面结构，此种锥形结构能够实现的宽波段宽角度的超吸收。
上层金属薄膜结构吸收的光辐射能量传递给金薄膜的导带上电子，电子能量随即升高，成为热电子(如图2中步①)。之后具有高能量的热电子输运到金薄膜/硅(步②)，最后热电子跃迁或隧穿肖特基势垒注入到铝衬底中(步③)，如被外电路收集将会产生电流信号。因此本发明可以近红外全波段宽角度的光电探测。
本实施例由如下制备工艺方法实现(参照附图3)：
(1)将表面抛光的铝箔作为衬底，并用阳极氧化工艺在其表面制备一层多孔阳极氧化铝薄膜；
(2)将铝衬底上层多孔阳极氧化铝薄膜用腐蚀液去除，得到表面为三维纳米锥阵列的铝箔衬底；
(3)在衬底上利用化学气相沉积沉积硅薄膜；
(4)在硅薄膜上上通过电子束蒸发沉积金薄膜层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于锥形超表面结构的光伏型光电探测器，其特征在于：包括自下而上依次设置的金属衬底、半导体薄膜层以及金属薄膜层；所述金属衬底的表面为三维纳米锥阵列结构；所述半导体薄膜层材料的禁带宽度大于入射光的光子能量。
2.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述金属衬底上的三维纳米锥的高度在100-1000nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在100-2000nm之间；所述半导体薄膜层的厚度在20-100nm之间；所述金属薄膜层的厚度在15-50nm之间。
3.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述金属薄膜层的材料为金、银、铝、铜、铂，钛，或由上述金属组成的合金。
4.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述半导体薄膜层材料为二氧化钛；所述金属薄膜层材料为金；所述金薄膜层的厚度为20nm，
所述二氧化钛半导体层的厚度为40nm；所述三维纳米锥阵列为非周期性阵列，高度在100-500nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在100-500nm之间。
5.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述半导体薄膜层材料为硅；所述金属薄膜层材料为金；所述金薄膜层的厚度为15nm，所述硅薄膜层的厚度为50nm；所述三维纳米锥阵列为非周期性阵列，高度在500-1000nm之间，所述三维纳米锥之间的间距保持在1000-2000nm之间。
6.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述金属衬底为铝衬底或为表面制备有其他金属膜的铝衬底，所述金属膜材料为金、银、铝、铜、铂，钛或由上述金属组成的合金。
7.根据权利要求1所述的光伏型光电探测器，其特征在于：所述金属衬底的表面的三维纳米锥为圆锥、三棱锥、四棱锥或其他多棱锥，所述三维纳米锥的锥面为凹面、平面或者凸面。
8.一种基于锥形超表面结构的光电探测器的制备方法，其特征在于：包括步骤：
①将表面抛光的铝箔作为衬底，并用阳极氧化工艺在其表面制备一层多孔阳极氧化铝薄膜；
②将铝衬底上层的多孔阳极氧化铝薄膜用腐蚀液去除，得到表面为三维纳米锥阵列的铝衬底；
③在铝衬底上利用半导体薄膜沉积的方法制备半导体薄膜层；
④在半导体薄膜层上通过金属薄膜沉积的方法制备金属薄膜层。
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