[发明专利]一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于分形纳米线表面结构的Si‑APD光电探测器及制备方法，包括：分形纳米线表面结构进光层P+区，位于分形纳米线表面结构进光层P+区下方的本征吸收层π区、位于本征吸收层π区下方的雪崩倍增层P区、位于雪崩倍增层P区下方的电极接触层N+区、位于本征吸收层π区两侧下方的保护环即N区、设置在分形纳米线表面结构进光层P+区上表面的上端电极以及电极接触层N+区和N区下表面的下端电极；所述分形纳米线表面结构进光层P+区具有以随机分形分布的垂直硅纳米线的表面结构。本发明解决了传统Si‑APD光电探测器响应度较低、近红外波段几乎无响应等问题，可增强可见光探测量子效率，使响应波段扩展到近红外波段。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法。

背景技术

光电探测器作为光纤通讯系统、红外成像系统、激光告警系统和激光测距系统等的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。

APD是一种具有内增益能力的光探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中。APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器，以其体积小、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，已大量用于弱光场测量、光子计数等相关领域中。主要用于弱光条件下的通信、航空、航天、航海以及医疗、安防等工业和民用领域。

传统硅基雪崩光电二极管(Si-APD)波长响应范围为400nm～1100nm，由于硅材料的禁带宽度较大(1.12eV)，因而传统Si-APD对大于1000nm波长光的响应度很低，于红外波段的光探测效率低。其它半导体材料如Ge、InGaAs等虽然可以探测红外波段的光，但这些材料的价格昂贵、热力学性能较差、信噪比低，而且器件制备工艺与现有成熟的硅工艺不兼容。Si材料具有高的碰撞电离系数比，用于光探测器时可使器件的信噪比得到提高，且工艺成熟。因而，通过某些特定的方法实现硅材料对近红外波段增强吸收，扩展硅基光探测器的在红外波段探测效率意义十分重大。

目前，常用的硅基红外波段扩展方案有黑硅和纳米线表面结构等方法。黑硅形成的圆锥形表面结构对光有增强吸收的作用但增强效果不明显，通常反射率为5％-15％。纳米线表面结构分布均匀，主要加工方法有：极紫外光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻、纳米压印刻蚀技术等。纳米线(纳米孔)表面结构对特定波长有极强的吸收，可实现低反射率、低透射率，但只针对单一波长。而分形陈列分布的纳米线没有特定周期可对各个波长进行吸收，另外，光在分形纳米线中产生的拉曼散射也进一步提高了近红外波段的吸收率。而且表面结构制作工艺相对简单，不需要转印和光刻，可作为提高硅Si-APD量子效率的一种新型手段。

论文“Strongly enhanced light trapping in a two-dimensional siliconnanowire random fractal array”(doi:10.1038/lsa.2016.62)介绍了分形纳米线表面结构对可见光和近红外光的强吸收和散射特性，以及该结构在太阳能光伏器件上的应用，而本发明是将该结构用于Si-APD，不仅需要考虑材料对光谱吸收性能，还需要设计结构使APD的各项指标最优。专利“基于微纳米结构的Si-APD光电探测器及其制备方法”(申请号：201410313465.2)发明公开了一种基于微纳米结构的Si-APD光电探测器及其制备方法，该专利所采用微纳米结构为均匀阵列分布只能实现对APD单波段响应增强，而本发明采用随机分形的微纳米结构实现在可见光到近红外的全波段响应增强和量子效率得高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于分形纳米线表面结构的Si-APD光电探测器及制备方法，利用进光面微结构形成光陷阱，增加对光子吸收从而提高探测效率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：