CN111463298B - 一种半导体纳米结构光电探测器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体纳米结构光电探测器件及其制备方法；所述光电探测器为哑铃形的一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的能够米氏共振的天线单元构成；所述纳米沟道的长度为10～100nm，纳米沟道最窄处的宽度为5～30nm。所述光电探测器工作时，纳米沟道为感光结构，天线单元为谐振结构。探测光激发天线单元的米氏共振，光被局域至纳米沟道内部增强光吸收，产生光电流，实现光电探测。本发明的半导体纳米结构光电探测器件由谐振结构与感光结构一体化集成，可增强半导体纳米沟道光吸收，从而实现高量子效率、快速响应、高灵敏度的光电探测，可在图像传感和片上通信等领域获得应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种半导体纳米结构光电探测器件及其制备方法。
背景技术
半导体纳米结构比表面积大和尺寸小。基于半导体纳米结构的光电探测器通常具有灵敏度高、集成度高，在图像传感和片上通信等领域具有应用前景。然而，由于半导体纳米结构的尺寸通常小于被探测光的波长，半导体纳米结构仅能吸收少部分被探测光，导致光电转换的量子效率和响应度偏低。
增强半导体纳米结构的光吸收是提高半导体纳米结构光电探测响应度和量子效率的主要技术方法之一。一种提高半导体纳米结构光吸收的方法是把半导体纳米结构设计成光学谐振腔，使半导体纳米结构同时具备感光和谐振功能；例如，具有波导模式的直立纳米线或泄漏模式的平面纳米线。然而，由于谐振波长取决于纳米结构的形状及尺寸。对于特定尺寸的半导体纳米结构，其高效的基模谐振波长仅有一个，因而仅能实现单一波长的光吸收增强。此外，随着半导体纳米结构尺寸的减小，谐振腔的共振波长蓝移，导致谐振腔的共振波长与半导体的本征吸收波长不对应。例如，对于直径小于十纳米的硅纳米线，由于量子限域效应，硅的能带由间接带隙转变为直接带隙，因而在可见至近红外波段存在光吸收并可实现光电探测。然而，由于硅纳米线谐振腔的共振波长受纳米线的直径调节，亚十纳米的硅纳米线谐振腔的共振波长处于紫外波段，因而仅能增强亚十纳米硅的紫外光吸收而无法增强其可见-近红外波段的光吸收，其光电探测的量子效率仍然较低。
另一种增强半导体纳米结构光吸收的方法是利用具有局域表面等离激元效应的贵金属颗粒修饰半导体纳米结构；其中贵金属颗粒作为光学谐振腔，半导体纳米结构作为感光结构。贵金属颗粒处于局域表面等离激元共振时，局域光场可增强半导体纳米结构的光吸收，同时等离激元退激发产生的热电子亦可通过内光电发射延长热电子的寿命；上述两个效应协同作用，提高半导体纳米结构的光响应度。此方法通过组合谐振结构(贵金属颗粒)和感光结构(半导体纳米结构)增强光吸收，提高了光电探测的响应度。应用中，可通过设计谐振结构调整共振波长，无需改变感光结构。例如，通过调节贵金属颗粒的尺寸、形状和组分，可以调节其局域表面等离激元的共振波长，进而实现贵金属颗粒修饰的半导体纳米结构在可见至近红外波段的多个波长光吸收的增强。然而，由于探测中涉及金属中的热载流子注入至半导体，载流子寿命较长，因此基于贵金属局域表面等离激元的金属/半导体异质结构光电探测器的响应速度通常较慢。
综上所述，研制可有效提高响应度，获得高量子效率、快速响应的光电探测器件仍是一个挑战。
发明内容
本发明为克服上述现有技术利用同一结构同时实现谐振与感光功能时存在的谐振波长与探测波长不匹配的问题，以及贵金属颗粒修饰半导体纳米结构响应速度较慢的缺陷，提供一种半导体纳米结构光电探测器件。提供的半导体纳米结构光电探测器件为具备谐振功能的天线单元和具备感光功能的纳米沟道集成的一体化同质结构，可以增强半导体纳米沟道的光吸收，进而实现高量子效率、快速响应和高灵敏度的光电探测。
本发明的另一目的在于提供上述半导体纳米结构光电探测器件的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种半导体纳米结构光电探测器件，为哑铃形的一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的能够米氏共振的天线单元构成；所述纳米沟道的长度为10～100nm，纳米沟道最窄处的宽度为5～30nm。
原理：
光电探测器件工作时，纳米沟道为感光结构，天线单元为谐振结构。被探测光辐照所述光电探测器件时激发天线单元的米氏共振。当纳米沟道的长度小于或接近探测光波长和天线单元折射率的比值时，纳米沟道两端天线单元的米氏共振磁偶极子模式发生耦合，光被局域在天线单元之间的狭缝，即纳米沟道处。当纳米沟道的宽度远小于探测光的波长时，不会对天线单元的光学散射特性产生明显的影响，不改变天线单元米氏共振耦合的光分布，此时光被局域在半导体纳米沟道的内部。探测光为可见至近红外波段(即波长大于400nm)，且天线单元折射率为3～6。因此，纳米沟道长度须满足10～100nm的条件，纳米沟道最窄处的宽度须满足5～30nm的条件。
局域至半导体纳米沟道内部的光可增强纳米沟道的光吸收。由于哑铃形的一体化结构中半导体纳米截面积最小，电阻最大，光吸收的增强可最大程度降低器件的整体电阻，获得显著的光电流，从而实现高效的光电探测。
所述光探测器的探测波长取决于天线单元的共振波长，本领域技术人员通过改变天线单元的形状、尺寸或材料，可以实现对天线单元共振波长的调节。所述光电探测器可以实现在可见光至近红外波段局域增强半导体纳米沟道的光吸收，同时由于所述光电探测器为一体化的同质结构，不存在异质结构，因而可实现高量子效率、快速响应、高灵敏度的光电探测。
所述纳米沟道的长度为10～100nm。例如，所述纳米沟道长度可以为10nm、20nm、50nm或100nm。
所述纳米沟道最窄处的宽度为5～30nm。例如，所述纳米沟道最窄处的宽度可以为5nm、10nm、20nm或30nm。
优选地，所述半导体纳米结构光电探测器件的半导体材料的折射率为3～6。
优选地，所述半导体材料为硅、锗、硼、碲化铅、砷化镓、铝镓砷、砷化铟、磷化镓，镓铟磷、磷化铟、碲化镓、碲化铝或铝镓碲中的一种或几种。
优选地，所述天线单元形状为圆柱、棱柱、球或椭球。
优选地，所述天线单元的直径、高或棱为50～500nm。例如，所述天线单元的直径、高或棱为10nm、50nm、120nm、150nm、200nm、400nm或500nm。
优选地，所述半导体纳米结构光电探测器件工作时分别在两端的天线单元施加电压，两个所述天线单元间存在电压差，电压差为0～5V，电压差不为0，通过测量光电流实现光电探测。
本发明还提供了所述半导体纳米结构光电探测器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1.在绝缘衬底表面制备出厚度为50～500nm的所述半导体材料；
S2.在S1所得半导体材料表面制备掩模；
S3.利用等离子体或者刻蚀溶液刻蚀未被掩模保护的半导体材料直至露出绝缘衬底，保留被掩模保护的半导体材料，去除掩模后得到哑铃形一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的天线单元构成，即为所述半导体纳米结构光电探测器。所得纳米沟道最窄处的宽度为5～30nm。
优选地，S2所述掩模为耐刻蚀材料，所述掩模由下述方法制备：
S11在衬底表面制备厚度为100～500nm的耐刻蚀材料，或者使用表面覆盖有厚度为100～500nm的耐刻蚀材料的衬底；
S12旋涂光刻胶，使用光学光刻或电子束光刻在光刻胶上定义一体化结构的图形，显影去除未被曝光的光刻胶；
S13利用等离子体刻蚀未被光刻胶保护的耐刻蚀材料直至露出半导体材料，保留被光刻胶保护的耐刻蚀材料，即为掩模；
其中，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅或铬中的一种或几种。
所述半导体纳米结构光电探测器的制备方法中，所述半导体材料为硅、锗或硼时，在获得哑铃形的一体化结构后，还可以通过热氧化进一步缩小纳米沟道最窄处的宽度，即上述制备方法的步骤S3还可以有：在800～1200℃下氧化5～30分钟，使纳米沟道最窄处宽度缩小为5～15nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的半导体纳米结构光电探测器件为具备谐振功能的天线单元和具备感光功能的纳米沟道集成的一体化同质结构，可增强半导体纳米沟道的光吸收，从而实现高量子效率、快速响应、高灵敏度的光电探测，在图像传感和片上通信等领域获得应用。
附图说明
图1为本发明半导体纳米结构光电探测器件的结构示意图。其中，1为纳米沟道，2为天线单元，3为绝缘衬底。
图2为本发明半导体纳米结构光电探测器件的主视图。A-B截面的位置如图2所示。
图3为本发明半导体纳米结构光电探测器件的俯视图。C-D截面的位置如图3所示。
图4为本发明实施例1和对比例1的半导体纳米结构光电探测器件基于有限差分时域算法计算得到的散射截面-波长曲线。
图5为本发明实施例1和对比例1的半导体纳米结构光电探测器件基于有限差分时域算法计算得到的共振波长处光电场分布图。白色虚线为天线单元的轮廓，黑色实线为纳米沟道的轮廓。(a)为633nm共振波长处实施例1在A-B截面的光分布图，(b)为633nm共振波长处实施例1在C-D截面的光分布图；(c)为730nm共振波长处对比例1在A-B截面的光分布图，(d)为730nm共振波长处对比例1在C-D截面的光分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例中的原料均可通过市售得到；
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种半导体纳米结构光电探测器件，如图1～3所示，由中间的纳米沟道1和两端的天线单元2构成，为哑铃形的一体化结构。
本实施例中，天线单元的形状为圆柱。半导体纳米结构光电探测器件由硅制成。
天线单元的直径、高或棱可以为50～500nm，例如50nm、120nm、150nm、200nm、400nm或500nm，本实施例中，天线单元的高为150nm，直径为120nm。
纳米沟道的长度可以为10～100nm，例如5nm、10nm、20nm、50nm、100nm或200nm，本实施例中，纳米沟道长度为20nm。
纳米沟道最窄处的宽度可以为5～30nm，例如5nm、10nm、20nm或30nm，本实施例中，纳米沟道最窄处的宽度为10nm。
本实施例的半导体纳米结构光电探测器件的制备方法，包括如下步骤：
S1.使用有源层厚度为150nm的绝缘衬底上的硅晶圆(SOI)；
S2.在SOI表面沉积厚度为200nm的铬薄膜；
S3.旋涂厚度约为500nm的光刻胶(AR-N 7520)；利用电子束曝光在光刻胶上定义图形，得到中间为长方形两端为圆形的光刻胶图形。中间的长方形光刻胶长度为20nm，宽度为20nm。两端的光刻胶为直径120nm的圆形；
S4.利用电感耦合等离子体系统(ICP)刻蚀未被光刻胶保护的铬直至露出SOI的有源层硅，使用丙酮溶液去除二氧化硅掩模上的光刻胶；
S5.利用ICP系统刻蚀未被二氧化硅掩模保护的有源层硅，直至露出SOI片的绝缘层，使用得到中间为纳米沟道两端为圆柱形天线单元的哑铃形一体化结构。所得纳米沟道的长度为20nm，宽度为20nm。所得天线单元是直径为120nm，高度为150nm的圆柱形纳米结构。
S6.在温度为1000℃、氧气流量为0.9SLM的条件下氧化10分钟，使纳米沟道最窄处的宽度缩小为10nm；
S7.使用质量比为1:10的氢氟酸和去离子水的混合溶液去除哑铃形一体化结构表面的二氧化硅层，得到所述半导体纳米结构光电探测器件；
本实施例的半导体纳米结构光电探测器件使用有限差分时域算法计算得到的共振波长为637nm(图4)，图5(a)和(b)为有限差分时域算法计算得到637nm光辐照时本实施例的半导体纳米结构光电器件的光分布，显示圆柱形米氏共振天线高效地局域光至纳米沟道内部。本实施例的半导体纳米结构光电探测器件工作时，天线单元间的电压差为0.1V。无激光辐照下，该光电探测器的电流为10pA；在功率密度为100mW/cm2波长为633nm的激光辐照下，光电流最大，为10nA，电流增大三个数量级，光响应度为870A/W。功率密度保持为100mW/cm2，使用波长大于或小于633nm的激光辐照，光电流小于100pA，光响应小于8.7A/W。光响应度峰值的波长与光散射共振波长匹配。测试所述器件的光响应速度，光响应度的负3dB带宽达到10MHz。
该结果表明：本实施例的半导体纳米结构光电探测器可以增强纳米沟道的光吸收，可以提升共振波长处的光响应度。同时该光电探测器没有异质结构，响应速度快。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例的半导体纳米结构光电探测器件的材料为锗、硼、碲化铅、砷化镓、铝镓砷、砷化铟、磷化镓、镓铟磷、磷化铟、碲化镓、碲化铝或铝镓碲；
其他结构和材料与实施例1相同。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例的半导体纳米结构光探测电器件中，天线单元的形状为棱柱、球或椭球；
其他结构和材料与实施例1相同。
对比例1
与实施例1不同的是，本对比例的半导体纳米结构光电探测器件中，半导体纳米沟道宽度为75nm；
其他结构和材料与实施例1相同。
图4展示有限差分时域算法计算得到的本对比例光电探测器件的光学散射特性，宽度为75nm的纳米沟道显著影响天线单元米氏共振耦合的光分布，导致共振波长变化至730nm。图5(c)和(d)为730nm光辐照时本对比例光电探测器件的光分布图，显示本对比例光电探测器件无法有效地把光场局域至纳米沟道内部。本对比例的半导体纳米结构光电探测器件工作时，天线单元间的电压差为0.1V。无激光辐照下，半导体纳米结构光电探测器件的电流为100pA；在功率密度为100mW/cm2波长为730nm的激光辐照下，光电流小于1000pA，与其他波长激光辐照产生的光电流大小无显著差异。
该结果表明：本对比例的半导体纳米结构光电探测器件无法增强半导体纳米沟道的光吸收，无法提高光电探测的响应度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体纳米结构光电探测器件，其特征在于，为哑铃形的一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的能够米氏共振的天线单元构成；所述纳米沟道的长度为10～100nm，纳米沟道最窄处的宽度为5～30nm；所述纳米沟道为宽度均匀或两端宽中间窄的纳米结构。
2.根据权利要求1所述的半导体纳米结构光电探测器件，其特征在于，所述天线单元的形状为圆柱、棱柱、球或椭球。
3.根据权利要求1或2所述的半导体纳米结构光电探测器件，其特征在于，所述天线单元的直径、高或棱为50～500nm。
4.根据权利要求1所述的半导体纳米结构光电探测器件，其特征在于，所述半导体纳米结构光电探测器件的半导体材料的折射率为3～6。
5.根据权利要求4所述的半导体纳米结构光电探测器件，其特征在于，所述半导体材料为硅、锗、硼、碲化铅、砷化镓、铝镓砷、砷化铟、磷化镓，镓铟磷、磷化铟、碲化镓、碲化铝或铝镓碲中的一种或几种。
6.权利要求1～5任一项所述半导体纳米结构光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在绝缘衬底表面制备出厚度为50～500nm的半导体材料；
S2.在S1所得半导体材料表面制备掩模；
S3.利用等离子体或者腐蚀液刻蚀未被掩模保护的半导体材料直至露出绝缘衬底；保留被掩模保护的半导体材料；去除掩模后得到哑铃形一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的天线单元构成，即为所述半导体纳米结构光电探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，S2所述掩模为耐刻蚀材料，所述掩模由下述方法制备：
S11在衬底表面制备厚度为100～500nm的耐刻蚀材料，或者使用表面覆盖有厚度为100～500nm的耐刻蚀材料的衬底；
S12旋涂光刻胶，使用光学光刻或电子束光刻在光刻胶上定义一体化结构的图形，显影去除未被曝光的光刻胶；
S13利用等离子体刻蚀未被光刻胶保护的耐刻蚀材料直至露出半导体材料，保留被光刻胶保护的耐刻蚀材料，即为掩模；
其中，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅或铬中的一种或几种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述半导体材料为硅、锗或硼时，S3还包括：在800～1200℃下氧化5～30分钟，使纳米沟道最窄处宽度缩小为5～15nm。
9.权利要求1～5任一项所述半导体纳米结构光电探测器件的应用，其特征在于，所述半导体纳米结构光电探测器件工作时，分别在两端的天线单元施加电压，两个所述天线单元间存在电压差，通过测量光电流实现光电探测。
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