[发明专利]一种基于微球光学谐振增强的硅薄膜光探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳器件技术领域，具体涉及一种光探测器件及其制备方法，尤其涉及带有微球阵列光学谐振层、对特定频率光信号具有极强灵敏度的光探测器及其制备方法。

背景技术

近年来，军用红外探测以及民用光纤通信等领域技术的发展对光探测材料及器件提出了越来越苛刻的要求：人们比以往任何时候都迫切需要具有高可靠度、高响应速率、低噪声、特别是具有更高灵敏度、轻薄短小的光探测器件。在诸多种类的光探测器当中，基于光电导效应的半导体光探测器因其体积小、灵活度高、响应速度快的优点而备受关注。

当前，有关半导体薄膜实现光探测的研究已经取得了长足的进展，但往往都局限于通过改变材料体系本身的组分来实现光探测功能的优化，对于光源本身与材料之间相互作用的探索则往往被忽略，显然这将带给光电探测器件很大的性能提升空间。基于以上考虑，我们将目光集中在了如何利用当前广受关注的光学谐振腔上面——光学谐振腔可以过滤和限制特定波长的光波，将能量集中在特定波长（Armani D K, Kippenberg T J, Spillane S M, et al., Nature, 2003, 421(6926): 925-928.）。具体来说，沿特定角度入射的光信号通过一定条件耦合进入谐振腔之后，会在介质界面处的全反射，使得光波可以在其环状截面中传播并与自身干涉构成稳定的驻波，这种情况的光学模式被称为回音壁模式（Whispering Gallery Mode）。从物理光学的角度考虑，光波能量不可能被绝对地限制在谐振腔中，在界面处，仍有光波的电磁场能量从谐振腔扩散到周围介质中（evanescent field）。显然，如果能构筑一种特殊形状的光学谐振腔并使其作用于半导体薄膜光探测材料，势必会对相应光电器件的性能带来巨大提升。

近年来，各类管状结构的光学谐振腔研究层出不穷，但受限于其自身几何形态以及制备工艺，难以制备出能大面积作用于半导体光探测功能层的谐振结构。通过分析上文所述的光学谐振物理过程我们意识到，只要具有环形介电层结构，就有可能实现光学谐振。纳米/微米尺寸量级的微球结构，实际上可以看做一种特殊形态的环形腔，恰恰可以满足以上条件。实际上，也已经有研究证实微球结构确实可以发生光学谐振（Okazaki K, Shimogaki T, Fusazaki K, et al., Applied Physics Letters, 2012, 101(21): 211105.）。相比于管状谐振腔，微球制备起来更加容易和廉价。而借助一定技术让大量单一尺寸的微球有序排列成膜，形成无数个光学谐振微腔组成的阵列，并使其与半导体光探测功能层紧密贴合，则可以在足够的区域发生光学谐振，光信号对光探测功能层的作用便会得到相应的增强。

着眼于此，本发明提出了一种新的光探测器件思路及制备方法。本发明中，无数个微球光学谐振单元密排成阵列结构，并与半导体薄膜光探测功能层紧密贴合构成高灵敏的光探测器件。探测器敏感波段与微球谐振单元的几何特征以及介电常数密切相关，本发明还提出了谐振单元相关参数的调控方法，这样，就可以根据实际需要灵活地调整探测器敏感响应波段。该探测器设计思路新颖，特定光波段下灵敏度高，最大程度上改善了现有半导体薄膜光探测材料本身对光信号利用的不足，为弱光信号的探测及传感、光通讯等领域开辟了新的前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种特定光信号波段下具有极高灵敏度的光探测器及制备方法。

本发明提供的光探测器，是一种带有光学谐振光响应增强层的硅薄膜光电导型半导体光探测器，由特定波段的光信号激发光响应增强层的光学谐振，过程中的电磁场能量影响到硅半导体薄膜，等同于增强了光信号对薄膜的作用，从而使得该器件在相应的光信号波段下具有极高的响应程度和灵敏度。

本发明提供的光探测器由下述方法制备得到，图1为制备流程图示（截面图），其具体制备步骤如下：

（1）对衬底材料进行润湿性表面处理，并将微球谐振单元紧密排列在衬底之上，形成单层或多层有序阵列结构，得到光学谐振层，如图1（a）所示；

（2）在微球谐振单元表面包覆具有特定介电常数的材料，调节响应波段；

（3）将单晶硅半导体薄膜转移至光学谐振层之上，如图1（c）所示；

（4）在单晶硅半导体薄膜表面沉积金属电极，并通过热处理改善电极接触，如图1（d）所示；然后完成器件的后续封装。

本发明中，步骤（1）所用的衬底为光学石英片、硅片或蓝宝石片等。