CN213304148U

CN213304148U - 一种硅基光电探测器

Info

Publication number: CN213304148U
Application number: CN202022469385.XU
Authority: CN
Inventors: 吴绍龙
Original assignee: Suzhou Stco Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Stco Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2030-10-30

Abstract

本实用新型属光电领域，公开了一种硅基光电探测器，可用于紫外波段、可见光波段、近红外波段，所述的硅基光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层。正面金属薄膜和无序纳米碗阵列层的复合结构可以显著抑制200～2500nm波段范围内的光反射，硅基底背面的金属薄膜近乎完全反射到达硅基底界面的光子，使得器件整体的透射率接近零。本方案可以在室温、无外加偏压下对紫外至近红外波段的光子实现光电响应和有效探测，且对光子的偏振和入射角度不敏感。

Description

一种硅基光电探测器

技术领域

本实用新型属光电领域，涉及一种光电探测器，尤其涉及超宽波段光子探测技术。

背景技术

光电探测器是一种能够将光信号直接转换为电信号的装置，在光传感、光通信、激光雷达、光谱检测、红外制导等民用和军事领域均有着极广泛的应用。它通常借助半导体材料的内光电效应将入射光子转换为可移动和收集的载流子，从而形成与入射光波长和强度相关的可观测的光电流。

当前实际应用中，商用光电探测器面临着越来越苛刻的应用需求和日益增加的调制，其某些性能指标(如光谱响应范围、响应时间、灵敏度)亟需提升以应对特殊场合的应用。硅基光电探测器是目前可见光波段应用最为广泛的光子探测器，具有较高的响应灵敏度、可在室温工作、高稳定性和成本低等优势。然而，其缺点也很明显，即响应波段受硅材料带隙限制不能对波长大于1200nm的光子进行有效探测。实现超半导体带隙限制的宽光谱光电响应的常用办法是进行双层或更多层宽带隙与窄带隙半导体材料的叠层设计。虽然这种设计能够实现超宽波段的光子吸收，然而，单个入射光子只能被其中某一层半导体材料吸收，故光生电子或光生空穴必须穿过其他半导体材料层才能被外围电路收集，导致器件的整体光响应度低。因而，在实际商用光电探测器中，几乎没有采用双层或多层光吸收材料叠层结构作为器件核心的案例。此外，扩宽某一半导体材料的光子吸收效率或光谱范围的办法是在其表面引入金属微纳结构，如在硅表面修饰金属纳米颗粒，借助金属纳米颗粒的光散射效应或表面等离子效应，可以明显增强和扩宽体系的光吸收波段，但能量小于硅带隙的光子却多半是被金属纳米颗粒吸收，这些被金属吸收的光能往往转换为热量，无法转换为电信号而输出。

实用新型内容

为解决现有技术中硅基光电探测器不能对波长大于1200nm的入射光子有效探测的技术问题。采用的技术方案如下：

一种硅基光电探测器，所述的光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层；其中所述的正面金属薄膜层以无序纳米碗阵列化硅基底为基底通过物理法沉积所得；所述正面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成肖特基接触、背面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成欧姆接触；且正面金属薄膜层作为探测器的前导电电极，背面金属薄膜层作为探测器的后导电电极。

优选地正面金属薄膜层的厚度为5～50nm。由于正面金属薄膜层沉积于硅纳米碗阵列基底上，该金属层的形貌并非平面结构，而是保有基底的微观形貌特征，不仅有利于激发不同波长处的表面等离子激元共振，还可以促进入射光的散射与衍射。

优选地背面金属薄膜层的厚度为50～5000nm。由于这个范围的背面金属薄膜层的厚度较大，设置于无序纳米碗阵列化硅基底背面，透过硅基底的光子到达硅底部界面时，会被背面金属薄膜层反射，再次回到器件内部，进而被硅基底或正面金属薄膜层二次或多次吸收。

优选地纳米碗的直径范围为40～300nm，深度为50～500nm。

优选地正面金属薄膜层的材质包括：金、铂、银、钛中任意一种。

优选地背面金属薄膜层的材质包括：银、铝、铟、镓、金、铂、镍材质中任意一种材质形成的薄膜层或其任意多种材质薄膜层的层叠。

优选地无序纳米碗阵列化硅基底为n型或p型掺杂，掺杂浓度为10¹⁴～10¹⁸cm^-3，厚度为100～1000μm。

在本方案中，正面金属薄膜和无序纳米碗阵列层的复合结构可以显著抑制200～2500nm波段范围内的光反射(使得整体反射率低于15％)，硅基底背面的金属薄膜近乎完全反射到达硅基底界面的光子，使得器件整体的透射率接近零。由于纳米碗阵列为无序排列，尺寸在一定范围内随机分布，使得器件的光吸收和光电响应对入射光的偏振和角度不敏感。正面金属薄膜层对波长较长的光子为半透明，其沉积在无序纳米碗状结构上，这种复合结构可以对入射光子进行多次反射和衍射，极大增加厚度有限的金属薄膜的光吸收，同时还能将未被金属薄膜吸收的光子耦合至其下方的硅材料中。

技术效果

采用本方案的硅基光电探测器，可以在室温、无外加偏压下对紫外/可见/近红外波段的光子实现光电响应和有效探测，且对光子的偏振和入射角度不敏感。需要指出，波长小于1200nm的光子探测，主要由硅材料的光电响应而实现；波长大于1200nm的光子探测，则由正面金属薄膜的光吸收及热载流子发射过程而完成。硅基底表面的纳米碗结构化处理及所沉积的正面金属薄膜的厚度对器件性能有着至关重要的影响。纳米碗结构化处理可以使得器件表面具有微纳结构纹理和显著增加的粗糙度，可有效抑制器件表面的光反射；同时，需要考虑后续所沉积金属薄膜与硅纳米结构的空间接触状态，即肖特基结的性质对光生载流子的收集效率具有决定性作用。此外，正面金属薄膜太厚时，器件整体的反射率偏高，且金属表层吸收光子而产生的热载流子难以扩散至肖特基结界面，使得热载流子注入至硅基底内部的整体效率极低；正面金属薄膜太薄时，难以在硅纳米结构表面形成连续薄膜，且对波长大于1200nm的光子的吸收效率偏低。由于不同的金属材料，对应的折射率及热载流子平均自由程具有明显差别，故选用不同的正面金属材料时，对应的优选厚度也是不同的。

附图说明

图1：硅基底为n型掺杂时器件工作原理示意图；

其中：12为功函数大于硅基底的正面金属薄膜层，13为功函数小于硅基底的背面金属薄膜层，14为入射光子被硅基底吸收而得到光生载流子，15为入射光子被正面金属薄膜吸收而激发热载流子。

图2：硅基底为p型掺杂时器件工作原理示意图；

其中：22为功函数小于硅基底的正面金属薄膜层，23为功函数大于硅基底的背面金属薄膜层，24为入射光子被硅基底吸收而得到光生载流子，25为入射光子被正面金属薄膜吸收而激发热载流子。

图3：实施例一中硅基光电探测器的结构示意图；

其中：31为无序纳米碗阵列化硅基底，32正面金属薄膜层，33背面金属薄膜层。

图4：施例二中硅基光电探测器的结构示意图；；

其中：34为底板，35为粘合剂，36为透明保护层。

具体实施方式

为了更清楚地说明本技术方案，下面结合附图及实施例作进一步描述：

实施例一

一种硅基光电探测器，如图3所示：所述的光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层32、无序纳米碗阵列化硅基底31、背面金属薄膜层33；其中所述的正面金属薄膜层以无序纳米碗阵列化硅基底为基底通过物理法沉积所得；所述正面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成肖特基接触、背面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成欧姆接触；且正面金属薄膜层作为探测器的前导电电极，背面金属薄膜层作为探测器的后导电电极。在使用时可在前后导电电极之间引入电流表，以检测器件不同光照下的电流变化。

当所用硅材料为n型掺杂时，正面金属应选择功函数大于硅基底的金属材质，背面金属应选择功函数小于硅基底的金属材质；当所用硅材料为p型掺杂时，正面金属应选择功函数小于硅基底的金属材质，背面金属应选择功函数大于硅基底的金属材质。如此，硅基底无论是n型还是p型掺杂，正面金属与硅基底接触而形成肖特基结，背面金属与硅基底形成欧姆接触。如图1所示，其中：12为功函数大于硅基底的正面金属薄膜层，13为功函数小于硅基底的背面金属薄膜层，14为入射光子被硅基底吸收而得到光生载流子，15为入射光子被正面金属薄膜吸收而激发热载流子。当入射光子被n型硅材料吸收时，所产生的光生电子由器件内建电场的作用而被背面金属层收集，光生空穴则被正面金属层收集；当入射光子被正面金属吸收时，所产生的较高能量的热电子被注入至n型硅基底，最终被背面金属层收集；而所产生的热空穴则通过与正面金属连接的导线流出器件。当硅基底为p型掺杂时，光生载流子的分离和收集方向如图2所示，22为功函数小于硅基底的正面金属薄膜层，23为功函数大于硅基底的背面金属薄膜层，24为入射光子被硅基底吸收而得到光生载流子，25为入射光子被正面金属薄膜吸收而激发热载流子。电子或和空穴的输运方向与n型硅基底的情况正好相反。可见，无论入射光子被是被正面金属还是硅基底吸收，所产生的光电流方向均是一致的。此外，需要指出能量低于硅带隙的光子，器件的光吸收主要是由正面纳米结构化的金属薄膜吸收；背面金属由于其厚度大、界面平整，表现为高反射特性而几乎不吸收光子。

实施例二

一种硅基光电探测器，如图4所示：所述的光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括透明保护层36、粘结剂35、正面金属薄膜层32、无序纳米碗阵列化硅基底31、背面金属薄膜层33、底板34；透明保护层与底板之间由粘结剂填充，且粘结剂包裹正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层；其中所述的正面金属薄膜层以无序纳米碗阵列化硅基底为基底；所述的正面金属薄膜层与无序纳米碗阵列化硅基底形成肖特基接触，所述的背面金属薄膜层与无序纳米碗阵列化硅基底形成欧姆接触；且所述的正面金属薄膜层作为探测器的前导电电极，所述的背面金属薄膜层作为探测器的后导电电极。使用时在前后导电电极之间引入电流表，以检测器件不同光照下的电流变化。

以硅纳米孔阵列为基底的样品，由于所沉积正面金属不能与硅纳米结构紧密接触，导致所形成的肖特基结品质低，进而导致其在波长大于1200nm范围内的光响应要显著低于以浅纳米碗阵列为基底的器件。可见，硅基底进行纳米碗阵列化处理对提升硅基光电探测器的响应光谱范围和响应灵敏度具有显著增强效果。

Claims

1.一种硅基光电探测器，其特征在于：为复合层式结构；沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层；其中所述的正面金属薄膜层以无序纳米碗阵列化硅基底为基底通过物理法沉积所得；所述正面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成肖特基、背面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成欧姆接触；且正面金属薄膜层作为探测器的前导电电极，背面金属薄膜层作为探测器的后导电电极。

2.根据权利要求1所述的一种硅基光电探测器，其特征在于：正面金属薄膜层的厚度为5～50nm。

3.根据权利要求1所述的一种硅基光电探测器，其特征在于：背面金属薄膜层的厚度为50～5000nm。

4.根据权利要求1所述的一种硅基光电探测器，其特征在于：无序纳米碗阵列化硅基底上纳米碗的直径范围为40～300nm，深度为50～500nm。

5.根据权利要求1所述的一种硅基光电探测器，其特征在于：正面金属薄膜层的材质包括：金、铂、银、钛中任意一种。