[发明专利]等离激元增强的硅基光热电效应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，具体涉及等离激元增强的硅基光热电效应光电转换器及其制作方法，包括硅纳米结构、等离激元共振金属纳米结构、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，等离激元共振金属纳米结构的参数根据其所需共振波长、偏振、手性特性确定，等离激元共振金属纳米结构与硅纳米结构结合形成复合结构；电极与硅纳米结构接触，硅纳米结构设置于衬底之上。该转换器能有效利用传统光电转换机制无法利用的热化载流子的能量，提高光电转换效率，通过在硅基纳米结构上集成等离激元增强结构提高硅纳米结构中的光吸收。利用表面等离激元共振对偏振、波长和手性的敏感性还可以为硅基光电转换器带来相应的多维度响应调控能力。

技术领域

本发明属于光电探测器、光电能量转换技术领域，尤其涉及等离激元增强的硅基光热电效应光电转换器及其制作方法。

背景技术

光电探测器是光电信息器件的重要组成部分。光电探测器的探测灵敏度、工作波长范围、探测速度、加工成本、器件尺寸和多功能探测(如偏振、波长和手性探测)是光电探测器最重要的几个性能指标。硅基光电探测器是当前使用最广泛的可见光探测器，原因是硅元素地球储量丰富以及硅的CMOS工艺成熟。但是硅的间接带隙特性(～1.12eV)限制了硅基光电探测器的吸光效率。而越来越小的硅光电探测器也要求在有限的硅材料中提高光吸收量。对硅纳米结构的吸收效率进行优化，提高当前普遍使用的硅光电探测器的探测性能，对实现高灵敏、低成本、高集成度的可见光及近红外波段的光电探测器具有重要意义。

在光能利用方面，太阳能是一种绿色的，取之不尽用之不竭的清洁能源。人类在利用太阳能方面尝试很多途径。硅基太阳能电池由于成本低，储量丰富，光电转化效率尚可得到广泛应用。其他诸如多结太阳能电池，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等也受到广泛关注。此类光电池都是利用半导体中光激发电子空穴对，再将电子和空穴分别扩散到阴极和阳极形成电流输出。此类光电转化机制，主要受到：1材料的带隙限制，只有能量大于带隙的光子才能被吸收利用，降低了太阳光光谱的利用效率；2材料载流子迁移率的限制，载流子在半导体材料中迁移时，会由于碰撞等原因损失能量或发生电子-空穴复合，从而无法达到电极，损失了相当部分的能量转换效率；3材料本身的光吸收效率受限，为了将光生载流子有效分离，材料需要在纵向方向做得较薄，这会降低材料的光吸收率。以上三点导致硅基太阳能电池的能量转化效率在单结情况下存在Quessnet-Schockley极限，最高不超过30％。如何提高硅基材料的光吸收效率，打破材料的带隙限制，突破材料载流子迁移率对光电转化的束缚，这是当前太阳能光能转化应用面临的核心困难。光生载流子的分离和利用是否还有其他途径，这是太阳能光能转化应用值得思考的问题。

一方面，硅的纳米结构呈现光热电效应，为提高光生载流子的利用效率提供了思路，如2008年在Science杂志上两篇论文报道了硅纳米结构中由于纳米尺寸效应限制了声子散射导致热电系数优值ZT的巨大提高。相关论文启发我们研究并确认了在硅基纳米结构中存在的由于光生热载流子的温度梯度驱动的光电响应即光热电效应。光热电效应可以有效利用传统光电探测无法利用的热化载流子的能量，进一步提高了光电转换效率。光热电效应区别于热电效应的地方在于其利用的是载流子温度梯度而热电效应利用的是晶格温度梯度。光热电效应相比热电效应的优势在于响应速度更快，且能够利用热载流子的能量产生光电响应。另一方面，在硅基纳米结构上集成等离激元结构也是一种思路。表面等离激元共振是金属纳米结构中自由电子在入射电磁场激励下的集体振荡行为。金属等离激元共振结构可以有效将入射光局域在亚波长尺度，提高石墨烯和半导体纳米结构中的光吸收。另一方面，金属等离激元受到光照会产生明显的光热效应和光生热载流子，相关效应预期也会增益硅纳米结构中的光热电效应。此外，金属纳米结构的表面等离激元共振对偏振、波长和手性的敏感性还可以为硅基光电转化器带来相应的多维度调控能力。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高集成度、高灵敏度和多维度响应的硅光电转换器。

本发明的目的之二是提供一种等离激元增强的硅基光热电效应光电转换器的制作方法。