CN110854213B - 一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，包括绝缘基底层，所述绝缘基底层的上方设置有第一电极、第二电极、硅基底层，所述硅基底层位于第一电极与第二电极之间，所述硅基底层与第一电极电接触，所述硅基底层与第二电极电接触，所述硅基底层的上方设置有多个陷光槽，所述陷光槽的侧壁上设置有多个等离激元共振结构；该利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，通过利用等离激元纳米结构层在硅基底上产生光热电效应，从而提高光生载流子的利用效率，在硅基底中存在的由于光生热载流子的温度梯度驱动的光电响应，即光热电效应。光热电效应可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光热电转换技术领域，具体涉及一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器。
背景技术
在化石燃料储备日渐消耗的情况下，对可再生能源如太阳能的利用成为人们关注的重要方向。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，其中光电转换是目前对太阳能进行有效利用的主要途径，如通过光伏组件可以将太阳能转换为电能。但由于太阳能电池工作时的光电转换效率有限，普遍在20～30％，剩余的太阳能量以废热的形式散失在环境中。
热电材料能够直接将热能与电能相互转换，在废热回收及绿色制冷领域中展现出巨大的应用潜力。目前商业化的热电材料主要为碲化铋基的无机块体材料，其能量转化效率约为10％。热电材料的能量转换效率虽不如传统的压缩机制冷或者蒸汽热回收系统但它的优点在于器件稳定性高、结构简单紧凑、易于维护；并且热电器件工作时不需要机械传动装置或配件，对环境友好。
将热电器件与光伏组件集成，在光伏电池吸收太阳光发电的同时，热电器件吸收光伏电池的废热发电，可实现光电、热电同时转化，是提高对太阳能利用率的有效途径。近年来，各类器件的微型化、柔性化发展逐渐成为潮流趋势，随之涌现出各种新型可穿戴、可折叠便携式的智能设备，若将光伏与热电器件做成薄膜结构，实现轻质、超薄、可弯折，便可推动太阳能/热电电池在航空航天、医疗监护以及可穿戴等领域的应用。
传统的电转换器、半导体器件，主要由电极以及设置于电极之间的硅材料制成，局限于材料本身的特性，一般利用的是材料内部的热载流子进行导电。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，包括绝缘基底层，所述绝缘基底层的上方设置有第一电极、第二电极、硅基底层，所述硅基底层位于第一电极与第二电极之间，所述硅基底层与第一电极电接触，所述硅基底层与第二电极电接触，所述硅基底层的上方设置有多个陷光槽，所述陷光槽的侧壁上设置有多个等离激元共振结构。
所述陷光槽为周期排列。
所述陷光槽为倒三角形。
所述陷光槽分为左斜壁、右斜壁，所述左斜壁上设置有多个等离激元共振结构，右斜壁设置有多个等离激元共振结构。
所述左斜壁上设置的多个等离激元共振结构为周期排列，所述右斜壁设置的多个等离激元共振结构同样为周期排列。
所述左斜壁上设置的多个等离激元共振结构的周期与所述右斜壁设置的多个等离激元共振结构的周期相同或者不同。
所述等离激元共振结构是由金或银制成。
所述绝缘基底层(1)是由氮化镓制成。
本发明的有益效果：本发明提供的这种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率；通过利用等离激元纳米结构层在硅基底上产生光热电效应，从而提高光生载流子的利用效率，在硅基底中存在的由于光生热载流子的温度梯度驱动的光电响应，即光热电效应。光热电效应可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率，与传功的热电效应相比，该利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器具有更加快的相应速度，导电效果更加好；另外，当左斜壁与右斜壁的倾斜程度不同时，因为倾斜程度不同时，会对入射光的方向具有选择特性。只有，能够入射到左斜壁与右斜壁内的光才能与等离激元结构6产生作用；无法入射到左斜壁与右斜壁内的光与等离激元结构产生作用。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器的结构俯视图。
图2是利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器的结构侧视图。
图3是硅基底层的结构示意图一。
图4是硅基底层的结构示意图二。
图5是硅基底层的结构示意图三。
图中：1、基底层；2、第一电极；3、第二电极；4、硅基底层；5、陷光槽；6、等离激元共振结构；7、左斜壁；8、右斜壁；9、底面。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种如图1、图2所示的利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，包括绝缘基底层1，该绝缘基底层1主要起着绝缘作用、支撑作用，因此，绝缘基底层1可以由二氧化硅等硬度高、绝缘性好的材料制成；所述绝缘基底层1的上方设置有第一电极2、第二电极3、硅基底层4，所述硅基底层4位于第一电极2与第二电极3之间，所述硅基底层4与第一电极2电接触，所述硅基底层4与第二电极3电接触，所述硅基底层4的上方设置有多个陷光槽5，所述陷光槽5的侧壁上设置有多个等离激元共振结构6；所述硅基底层4上设置的陷光槽5可以有效的起到陷光作用，使得入射光充分的与等离激元共振结构6相互作用，从而提高光电效应的效率；所述第一电极2与第二电极3与外接的电信号连接的作用，当光入射到等离激元共振结构6硅基底层4上时，等离激元共振结构6能够增强吸收所入射的光，从而充分发挥光热效应并产生光生热载流子，使得该利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器具有更好的导电特性、更快的相应速度。
需要注意的是，所述等离激元共振结构6的横向尺寸要小于半导体硅空间电荷区的长度，半导体硅的空间电荷区的长度取决于参杂浓度，一般要求等离激元共振结构6的横向尺寸小于0.5um或者小于微米级别，由于该结构是利用等离激元共振结构6(金属结构)在光照下产生的表面等离激元来增强其特性，但同时，金属表面的自由电子也会对器件特性增强。简单的来说，就是当等离激元结构6的横向尺寸D小于硅2倍空间电荷区的宽度L时，耗尽层会覆盖整个晶粒，晶粒中的能带基本相同，晶界对内部电荷转移没有影响。也就是说当D≥2L时，在晶粒内部与边缘仍然会存在耗尽层，影响电子的传输。
进一步的，所述陷光槽5为周期排列，这样可以使得硅基底层4的对入射光的聚集更加的均匀使得硅基底层4整体上都能够均匀增加内部的光生载流子。
进一步的，如图3所示，所述陷光槽5为倒三角形，当然也可以设置成如图4所示的倒梯形状，其最主要的特征是，所述陷光槽5必须分为左斜壁7、右斜壁8，并且，所述左斜壁7上设置有多个等离激元共振结构6，右斜壁8设置有多个等离激元共振结构6，这样，可以对入射光具有最大的吸收角度，以及最佳的吸收效率，能够确保入射光的吸收效率，从而确保产生更多的光生载流子，从而提高第一电极2、硅基底层4、第二电极3对外接电信号传导的效率，以及响应速度。
进一步的，所述左斜壁7与右斜壁8为轴对称设置，这样，不仅美观，也使得，设置于左斜壁7与右斜壁8上等离激元共振结构6所吸收的入射光，能够在硅基底层4内产生均匀的光生载流子，使得第一电极2、硅基底层4、第二电极3对外接电信号传导的更加稳定，避免电信号传导的波动。
并且，所述左斜壁7与右斜壁8的倾斜角度也会影响入射光的吸收率，优先的选择将左斜壁7的倾斜角度设置为30°、45°；右斜壁8的的倾斜角度设置为-30°、-45°等。
进一步的，所述左斜壁7上设置的多个等离激元共振结构6为周期排列，所述右斜壁8设置的多个等离激元共振结构6同样为周期排列；这样，主要是为了吸收特定频率的入射光，当等离激元共振结构6的排列周期与入射光的波长一致的时候，对该频率的入射光吸收效果最好，因此，该利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器可以用来对特定频率的光进行检测，通过检测电信号的变化，来判断是否具有特定频率的光入射的功能；也具有使得设置于左斜壁7与右斜壁8上等离激元共振结构6所吸收的入射光，能够在硅基底层4内产生均匀的光生载流子的作用，使得第一电极2、硅基底层4、第二电极3对外接电信号传导的更加稳定，避免电信号传导的波动。
进一步的，所述左斜壁7上设置的多个等离激元共振结构6的周期与所述右斜壁8设置的多个等离激元共振结构6的周期相同或者不同；当左斜壁7上设置的多个等离激元共振结构6的周期与所述右斜壁8设置的多个等离激元共振结构6的周期相同时，是对同一种波长的入射光吸收效果最佳；如果左斜壁7上设置的多个等离激元共振结构6的周期与所述右斜壁8设置的多个等离激元共振结构6的周期不同，则可以对不同波长的入射光具有最佳的吸收效率；这样就可以针对一种或者多种波长的入射光起到检测效果，也可以在不同波长入射光时，均可以提高提高第一电极2、硅基底层4、第二电极3对外接电信号传导的效率，以及响应速度。
进一步的，所述等离激元共振结构6是由金或银制成的金属棒，金属棒的直径为20nm～200nm之间，优先的选择20nm、30nm、40nm、50nm等。
最后需要说明的是，如果硅基底层4是n型参杂，则等离激元结构6直接生长在斜面(左斜壁7或右斜壁8)上；因为n型参杂时，半导体内的多子为电子，等离激元结构6多为金属材料制成，其也包含自由电子，所以可以直接和n-Si接触。
如果硅基底层4是p型参杂，则等离激元结构6与斜面(左斜壁7或右斜壁8)之间需要生长一层绝缘层，这样可以避免金属和p-Si形成新的pn结，从而形成肖特基势垒，避免所形成PN结改变原先p参杂型Si半导体的特性。
如图5所示，左斜壁7与右斜壁8的倾斜程度可以是不同的，因为倾斜程度不同时，会对入射光的方向具有选择特性。只有，能够入射到左斜壁7与右斜壁8内的光才能与等离激元结构6产生作用；无法入射到左斜壁7与右斜壁8内的光与等离激元结构6产生作用。
另外在生长基底层1时，可以让基底层1上表面生长较为粗糙，即存在表面微结构。对于具有粗糙结构的基底层1，其上生长半导体Si材料时，晶格失配的方向会是竖直的，沿着粗糙颗粒的侧表面，当生长厚度高于那些粗糙的颗粒后，晶格失配的方向会弯折，这种弯折可以减小或者消除水平方向上Si与基底之间的错位密度，提高Si的生长质量。另外，如果基底层1，是透明的材料，如GaN，粗糙的基底层1，可以使入射的光再次反射，增加光与等离激元结构的相互作用，提高效率。
综上所述，该利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率；通过利用等离激元纳米结构层在硅基底上产生光热电效应，从而提高光生载流子的利用效率，在硅基底中存在的由于光生热载流子的温度梯度驱动的光电响应，即光热电效应。光热电效应可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，其特征在于：包括绝缘基底层(1)，所述绝缘基底层(1)的上方设置有第一电极(2)、第二电极(3)、硅基底层(4)，所述硅基底层(4)位于第一电极(2)与第二电极(3)之间，所述硅基底层(4)与第一电极(2)电接触，所述硅基底层(4)与第二电极(3)电接触，所述硅基底层(4)的上方设置有多个陷光槽(5)，所述陷光槽(5)的侧壁上设置有多个等离激元共振结构(6)；多个等离激元共振结构(6)的横向尺寸小于2倍硅基底层(4)空间电荷区的宽度；
所述陷光槽(5)分为左斜壁(7)和右斜壁(8)，所述左斜壁(7)上设置有多个等离激元共振结构(6)，所述右斜壁(8)设置有多个等离激元共振结构(6)；所述左斜壁(7)上设置的多个等离激元共振结构(6)为周期排列，所述右斜壁(8)设置的多个等离激元共振结构(6)同样为周期排列；所述左斜壁(7)上设置的多个等离激元共振结构(6)的周期与所述右斜壁(8)设置的多个等离激元共振结构(6)的周期相同或者不同。
2.如权利要求1所述的一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，其特征在于：所述陷光槽(5)为周期排列。
3.如权利要求1所述的一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，其特征在于：所述陷光槽(5)为倒三角形。
4.如权利要求1所述的一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，其特征在于：所述等离激元共振结构(6)是由金或银制成。
5.如权利要求1所述的一种利用热载流子增强硅基光热电效应光电转换器，其特征在于：所述绝缘基底层(1)是由氮化镓制成。
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| JP2019192904A (ja) * | 2018-03-02 | 2019-10-31 | 国立大学法人東京農工大学 | 熱電変換素子、光検出器、画像素子及び光熱電変換素子 |
| CN109817752A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-05-28 | 武汉大学 | 一种基于硅光热电效应的光电转换器及其制作方法 |
| CN109904253A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-06-18 | 武汉大学 | 等离激元增强的硅基光热电效应光电转换器及其制作方法 |
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