[发明专利]基于氧化物/金纳米棒/硅的可见-短波红外光探测基底的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于氧化层/金纳米棒/硅的可见‑短波红外光探测基底的制备方法，通过一种银诱导无种法合成具有不同长径比的小尺寸金纳米棒；将其负载到硅片表面作为光吸收层，经退火处理获得结合更紧密金纳米棒/硅片基底；在金纳米棒/硅复合基底表面沉积不同的氧化物薄膜，构建成具有良好光电响应的异质结结构，最终得到氧化物/金纳米棒/硅基底新型可见‑短波红外光探测基底。该复合基底能够对可见‑短波红外光表现出极高的探测灵敏度。与现有技术相比，本发明获得的探测基底具有光谱响应范围宽、响应灵敏度高、响应波段可调、抗干扰能力强等优点。

技术领域

本发明属于半导体纳米材料和光电探测领域，具体涉及一种基于氧化物/金纳米棒/硅的可见-短波红外光探测基底的制备方法。

背景技术

21世纪，信息技术和互联网对人类社会的影响日益深厚，在5G、大数据、云计算等高新技术加持下，未来即将进入物联网和人工智能时代，这对作为信息技术基础的半导体器件提出了更高的要求。在“摩尔定律”逐渐失效之际，传统的半导体器件微型化困难、性能瓶颈、功耗大幅升高的问题也日渐突出，因此开发新型半导体器件的任务迫在眉睫。纳米材料由于具备众多独特的性能，成为研究热点。基于纳米材料的光电器件极有可能承担起突破传统器件性能壁障的重任。光电探测技术是指基于光电效应将入射光信号转化为电信号的技术，光和电信号之间的转换已经成为影响我们日常生活的众多技术的核心。在科研人员不遗余力的努力下，高性能光电探测材料及其大规模生产和集成技术得到高度发展，使得包括视频成像，光通信，生物医学成像，安全，夜视，气体传感和运动检测在内的应用已经达到了很高的成熟度。应用领域的规模和多样性的不断扩大，意味着对具备优秀传输速度、传输效率、响应范围、灵敏度和CMOS集成度等特性的光电探测平台需求更加突出。

硅（Si）作为现代半导体技术的重要组成部分，具备上述要求。硅具备1.1eV的窄间接带隙，可以吸收紫外线（UV）到近红外（NIR）的太阳能。然而纯硅中载流子复合率高、光吸收强度有限，严重阻碍了硅在光电探测领域的应用。在硅表面构建异质结以及负载贵金属纳米颗粒是两种有效的解决办法。当金属表面自由电子与入射光波发生相互作用、产生有规律的集体振荡状态时，形成表面等离子激元。对于金属纳米结构，等离子体对应着束缚（或局域）模式，当入射光子频率与金属纳米结构表面电子的集体振动频率一致时，金属纳米结构将强烈吸收入射光子能量，发生局域表面等离子体共振（LSPR）。贵金属纳米材料局域表面等离子激元（LSPs）对光的吸收能力是其尺寸的数倍到数十倍，能够极大增强局域光吸收强度，可以在硅片表面充当“热点”，既能将光能转化为热能，又能产生热电子，提高光电信号的传输效率。贵金属材料诸如Cu，Ag，Au，Pt等在一定程度上均显示出局域表面等离子激元共振（LSPR）行为，其中金和银是最受欢迎的等离子体金属。金的能级结构较为特殊，适于低能量的光子（短波红外）激发热电子，能够产生更多的载流子，对提升短波红外侧向光伏效应的灵敏度具有一定的增益效果。相比于银，金不会在因氧化后表面形成氧化物使性能衰减。由于金纳米颗粒表面等离子激元共振特性与颗粒形状密切相关，因此可以通过调控纳米颗粒的形貌实现对光吸收的可控调节，使得应用场景大幅扩展。在目前已经能够成熟制备的各向异性金纳米粒子中，围绕金纳米棒（AuNR）展开的研究最多。

与球形金纳米颗粒单一吸收峰位的吸收光谱不同，金纳米棒吸收光谱中最显着的特征之一是出现两个等离子体激元共振峰位，分别是横向表面等离子共振峰位（对应金纳米棒短轴）和纵向表面等离子共振峰位（对应金纳米棒长轴），其横向表面等离子共振峰位与普通球形颗粒吸收谱峰位相近且基本保持不变 (520-530 nm)，纵向表面等离子激元共振峰位受金纳米棒长径比的强烈影响。因此，纵向表面等离子激元的能量可以简单地通过改变金纳米棒长径比从光谱的可见区域（〜600 nm）调谐到红外区域（〜1800 nm）。虽然纵向表面等离子体激元的能量取决于纵横比，但是AuNRs的尺寸参数对其光学性能也有很大影响，Ali等人的研究证实，小尺寸金纳米棒比较大尺寸金纳米棒具有更小的消光系数（ε）。因此，较小的金纳米棒可以应用到光热治疗和光电效应器件中，二者都是基于将入射光子转换为其他能量的原理来实现，因此小尺寸金纳米棒由于其相对较高的吸收效率，可以提供更高的能量转换效率。

发明内容