[发明专利]一种基于硅光热电效应的光电转换器及其制作方法

说明书

本发明涉及光电转换技术，具体涉及一种基于硅光热电效应的光电转换器及其制作方法，包括硅纳米结构、电极和衬底；硅纳米结构至少有一个维度的尺寸是1~300纳米，电极与硅纳米结构接触，硅纳米结构设置于衬底之上。硅的纳米结构可以抑制声子的散射过程，降低电子‑声子散射作用，产生同晶格温度脱耦的载流子温度，电学连通的电极同硅的纳米结构形成欧姆接触，以降低肖特基接触导致的光伏效应影响。通过硅纳米结构中光致热载流子的温度梯度来驱动光电响应，通过调控金属/硅电极接触势垒和硅的掺杂极性与浓度来强化光热电效应，通过光‑热‑电多物理场输运仿真，确认了基于硅纳米结构光热电效应的光电转换机制的存在。该转换器能有效提高光电转换效率。

技术领域

本发明属于光电探测器、光电能量转换技术领域，尤其涉及一种基于硅光热电效应的光电转换器及其制作方法。

背景技术

光电转换在太阳能利用，光探测器和光信息器件中属于关键机制。光电转换机制有很多，常见的有光电导效应，光伏效应等利用光生载流子分离的机制，以及光产生热的利用材料热电效应的机制。在利用光生载流子分离产生光电转换机制中，约有40％的光子能量因为产生的热化载流子的快速弛豫到导带底过程而被浪费掉，无法被有效利用。此过程是由于快速的电子-电子散射和电子-声子散射作用造成的。另一方面，基于光产生热加上材料热电响应导致的光电转换机制中，由于较慢的声子-声子散射和较大的声子热容，导致光电转换效率低和转换速度慢。以上因素限制了高效快速的光电转换实现以及在太阳能利用，光探测器和光信息器件中的应用前景。

近年来，基于石墨烯等二维材料中发现的由载流子温度差导致的光热电效应引起了研究者的广泛兴趣。二维材料中存在的声子散射瓶颈效应导致电子温度同声子温度脱耦，光生热载流子的温差可以直接转换为光电响应。这种由材料受到光照导致载流子的温度梯度，可以驱动载流子的热扩散，从而产生净电流或电动势的现象叫做光热电效应。光热电效应利用了传统光电转换中被浪费的热载流子的能量分布，为提高太阳能电池的能量转换效率和光电探测器的响应度提供了有益的解决思路。光热电效应同光产生热导致的热电效应区别在于，光热电效应中体系的电子温度明显高于晶格温度，而光产生热导致的热电效应中，电子温度与晶格温度一致。例如单层石墨烯的光电流空间分布图显示，光热电效应起着重要的作用，由光电流分布得到的热电子的冷却时间估计为100ps，这确保载流子温度可以比晶格高很多，导致光热电响应超过了p-n结诱导的光伏效应。但是二维材料大面积可控制备比较困难，而且二维材料的光吸收系数很小，材料性质不稳定，易受外界影响等限制了其光热电效应的利用前景。如何在半导体技术中常用的硅材料中发现和利用光热电效应，并开发基于硅光热电效应的高效光电转换器，是本领域急需解决的重大难题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于硅光热电效应的高效光电转换器。

本发明的目的之二是提供一种基于硅光热电效应的光电转换器的制作方法。

为实现本发明的第一个目的，采用的技术方案是：一种基于硅光热电效应的光电转换器，包括硅纳米结构、电极和衬底；硅纳米结构至少有一个维度的尺寸是1纳米～3百纳米，电极与硅纳米结构接触，硅纳米结构设置于衬底之上。

在上述的基于硅光热电效应的光电转换器中，硅纳米结构的掺杂为p型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁰～1×10¹⁴cm^-3。

在上述的基于硅光热电效应的光电转换器中，电极采用欧姆型电极接触。

在上述的基于硅光热电效应的光电转换器中，衬底采用低导热和电绝缘的材料，选用氧化硅、氮化硅材料，或采用悬空结构。

为实现本发明的第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于硅光热电效应的光电转换器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、衬底的准备：衬底顶部具有一层1纳米～3百纳米厚度的硅薄膜，底部为电绝缘、低导热的支撑材料；