[发明专利]硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构光电探测器领域，尤其涉及一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法。

背景技术

硅不仅是一种电子材料，还是一种光子材料。非常成熟的微电子加工工艺已经为硅光子学提供了坚实的技术支持，大大加速了硅光子学的形成和发展。在过去的数十年中，硅加工能力早已经进入小于光波波长的亚微米范围，并正向纳米尺度范围发展。硅纳米光子学正在并已经成为当今最为激动人心的崭新的前沿领域。硅纳米光子学在比波长还要短的纳米范围内处理光与物质的相互作用，创造了足以令人振奋的机会并使新技术的发展成为可能。

硅纳米线由于具有纳米横向尺寸和较大的比表面积，俘获载流子的大量表面态相当于栅压功能，因此硅纳米线电导对外界光电环境变化具有较高的敏感度，可用做探测器。日本NTT实验室平本俊朗教授研究组早在2002年就利用硅纳米线晶体管对光生载流子通过顶栅和被栅进行栅压分离，实现了单电荷探测，并对光生载流子复合寿命进行了一系列的研究(参见A.Fujiwara et al.，Jpn.J.Appl.Phys.41，1209-1213，2002)。美国哈佛大学化学系的Lieber研究组2006年报道了采用单晶掺杂生长方法制作的轴向pin结构硅纳米线雪崩探测器，在击穿电压附近获得了很高的雪崩倍增因子，其中电子达到了100，空穴达到了20，远高于体材料硅雪崩探测器(参见C.Yang et al.，Nano Lett.6，2929-2934，2006)。2009年，他们又对轴向和横向pin结构硅纳米线结构进行了光伏特性的研究，其中横向结构获得了0.26V的开路电压，短路电流密度达到了24mA/cm²，与最好的硅纳米晶薄膜太阳电池相当，并且其输出功率达到72pW/Sun，比轴向结构高出15倍(参见Bozhi Tian et al.，Chem.Soc.Rev.38，16-24，2009)。美国加州大学Islam等人2008年报道了一种采用横向诱导生长方法进行大量硅、InP或Zn0纳米线平行跨接制备光电探测器的方法，并获得了30GHz带宽，具有新颖性，但器件纳米结构定位及可靠性控制方面仍面临诸多挑战(参见M.S.Islam et al.，2nd IEEE Ihternational Nanoelectronics Conference，1009-1014，2008)。美国加州大学Jacobs工程学院的A.Zhang等人2008年报道了利用Top-down工艺刻蚀方法制备的平面及垂直硅纳米线光电探测器在低光强下光电导增益超过3.5×10⁴(参见Arthur Zhang et al.，Appl.Phys.Lett.93，121110，2008)。他们于2010年又报道了利用纳米压印技术制作的垂直结构硅纳米线光电探测器，在低温条件下在可见光波段获得了10⁵A/W的响应度，在红外波段获得了102A/W的响应度，远大于普通硅光电探测器低于1A/W的响应度(参见Arthur Zhang et al.，Nano.lett.10，2117-2120，2010)。2010年加拿大Waterloo大学的Adachi报道了一种横向结构MSM型硅纳米线光电探测器，硅纳米线阵列采用PECVD淀积在2μm间距电极中间，在-10V偏压下的光响应度为0.136，硅纳米线材料与电极接触的质量还有待提高(参见M.Adachi et al.，Medical Imaging 2010，Proc.of SPIE 7622，76224，2010)。可以看出，新型的硅纳米线结构探测器由于较大的比表面积，表现出较高的光电导增益，已经成为目前国际上的研究热点。研发硅纳米线结构探测器，将对于硅光电集成电路(OEIC)的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于揭示一种具有平面PIN结构的硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法，探测器的本征吸收区采用硅纳米线光栅共振腔结构以及部分覆盖的周期性的纳米金属栅光栅结构，具有高耦合效率、高量子效率和高响应速度特点。

为达到上述目的，本发明提供一种硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器，包括：

一硅衬底：

一氧化硅层，该氧化硅层制作在硅衬底上；

一工形台面结构，该工形台面结构制作在氧化硅层上，该工形台面结构的两端为P型电极和N型电极，该P型电极和N型电极之间连接有硅纳米线光栅共振腔结构；

一保护层，该保护层制作在工形台面结构的表面和侧面，在工形台面结构的两端的P型电极和N型电极上开有电极窗口；