[发明专利]一种硅基微腔窄带近红外光电探测器

说明书

本发明公开了一种硅基微腔窄带近红外光电探测器，该探测器的结构为：以单晶硅衬底为基底；单晶硅衬底的上表面刻蚀为硅微孔阵列结构；在硅微孔阵列上设置有上绝缘层；在单晶硅衬底下表面转移有石墨烯薄膜，形成石墨烯‑硅肖特基异质结；在石墨烯薄膜下表面依次设置有下绝缘层和金属反射层。本发明所制备的探测器实现了可见光盲的窄带近红外响应，具有响应速度快、易集成等优势，同时还具有制备方法简单、成本低、稳定性高、兼容性强等优点。

技术领域

本发明涉及一种硅基微腔窄带近红外光电探测器，属于半导体光电器件技术领域。

背景技术

传统红外光电探测在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域发挥着至关重要的作用，近些年来，人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外信息的探测和智能感知的需求越来越强烈，窄带响应高灵敏度的近红外光电探测器在光谱学、临床医学、成像、化学元素分析等领域具有巨大的应用价值。当前，窄带光探测器通常使用以下三种方法实现：1)将宽光谱光电探测器与带通滤波器相结合，该方法需要高成本的滤波器、复杂的光学系统集成和设计，还会增加探测器的尺寸和重量；2)使用具有窄带吸收的光活性材料，该方法已成功应用于以宽禁带半导体为活性材料的短波光电探测器；3)通过等离子体效应增强特定波长范围内的吸收，该方法在其它非等离子体波长范围内受到非抑制吸收的限制[L.Shen；Y.Fang；H.Wei；et al.Advanced Materials.2016,28,2043-2048.]。针对红外波段的窄带探测器仍是目前市场的缺失，研发一种廉价、结构简单、无公害、易集成的高效窄带近红外光探测器有着重要的意义。

尽管在过去的几十年里人们已经研究了很多半导体材料，但硅仍然是应用最广泛的材料，除了优异的抗热性和抗氧化性外，硅还具有良好的载流子迁移率。然而，硅的间接带隙使其成为不理想的光敏材料，尤其是短波近红外区以外[W.Yang；J.Chen；Y.Zhang；etal.Advanced Function Materials.2019,29,1808182.]。随着微纳加工技术和半导体工艺的逐渐成熟，光学微腔得到了快速发展。光学微腔在探测器领域的应用主要是基于其谐振特性，这种特性使得光在较小的器件尺寸内即可累积获得足够长的有效吸收距离。JunfengSong等人提出了一种基于微环谐振腔的光电探测器，光探测器长度仅4μm，当工作在L带时，微环谐振器使这种探测器的响应度提升了2倍左右，但是该探测器的制备方法复杂，不易于与电子器件集成且成本高[J.Song；Andy Lim；et al.Optics express.2014,22,26976-26984.]。

与传统硅材料相比，硅材料的表面纳米结构或微结构由于具有良好的陷光效应，可以提高对光的吸收并有利于光生载流子的产生，进而提高基于硅微纳结构的光电探测器的器件性能。此外，硅材料的各种表面修饰有效地增强了1100nm以外的光谱响应，扩大了硅基光电探测器的应用范围。具有表面修饰的单晶硅也可作为构建异质结和调整器件带宽的优良衬底，异质结界面附近的内置电场有效地促进了光生载流子的电荷分离，并产生许多高性能的硅兼容器件。石墨烯-硅异质结是近年发展起来的一种高性能光电探测器。一方面，这种简单的器件结构易于在平面硅上实现，起到肖特基二极管的作用，结的势垒取决于硅的浓度，因此是可控的。另一方面，石墨烯-硅异质结与成熟的硅基平台兼容，具有集成到光探测器网络和读出电路中的潜力。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺点与不足，本发明旨在提供一种硅基微腔窄带近红外光电探测器，所要解决的技术问题是通过硅基微腔器件结构的设置，获得具有近红外窄带响应、响应速度快、易集成等优点的近红外光电探测器。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明公开的一种硅基微腔窄带近红外光电探测器，其特点在于：所述硅基微腔窄带近红外光电探测器是以单晶硅衬底作为基底，所述单晶硅衬底的上表面刻蚀为硅微孔阵列结构，在硅微孔阵列上设置有上绝缘层；在所述单晶硅衬底的下表面转移有一层石墨烯薄膜，形成石墨烯-硅肖特基异质结；在所述石墨烯薄膜下表面设置有下绝缘层；在所述下绝缘层的下表面设置有金属反射层；