[实用新型]一种硅基光电探测器

说明书

本实用新型属光电领域，公开了一种硅基光电探测器，可用于紫外波段、可见光波段、近红外波段，所述的硅基光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层。正面金属薄膜和无序纳米碗阵列层的复合结构可以显著抑制200～2500nm波段范围内的光反射，硅基底背面的金属薄膜近乎完全反射到达硅基底界面的光子，使得器件整体的透射率接近零。本方案可以在室温、无外加偏压下对紫外至近红外波段的光子实现光电响应和有效探测，且对光子的偏振和入射角度不敏感。

技术领域

本实用新型属光电领域，涉及一种光电探测器，尤其涉及超宽波段光子探测技术。

背景技术

光电探测器是一种能够将光信号直接转换为电信号的装置，在光传感、光通信、激光雷达、光谱检测、红外制导等民用和军事领域均有着极广泛的应用。它通常借助半导体材料的内光电效应将入射光子转换为可移动和收集的载流子，从而形成与入射光波长和强度相关的可观测的光电流。

当前实际应用中，商用光电探测器面临着越来越苛刻的应用需求和日益增加的调制，其某些性能指标(如光谱响应范围、响应时间、灵敏度)亟需提升以应对特殊场合的应用。硅基光电探测器是目前可见光波段应用最为广泛的光子探测器，具有较高的响应灵敏度、可在室温工作、高稳定性和成本低等优势。然而，其缺点也很明显，即响应波段受硅材料带隙限制不能对波长大于1200nm的光子进行有效探测。实现超半导体带隙限制的宽光谱光电响应的常用办法是进行双层或更多层宽带隙与窄带隙半导体材料的叠层设计。虽然这种设计能够实现超宽波段的光子吸收，然而，单个入射光子只能被其中某一层半导体材料吸收，故光生电子或光生空穴必须穿过其他半导体材料层才能被外围电路收集，导致器件的整体光响应度低。因而，在实际商用光电探测器中，几乎没有采用双层或多层光吸收材料叠层结构作为器件核心的案例。此外，扩宽某一半导体材料的光子吸收效率或光谱范围的办法是在其表面引入金属微纳结构，如在硅表面修饰金属纳米颗粒，借助金属纳米颗粒的光散射效应或表面等离子效应，可以明显增强和扩宽体系的光吸收波段，但能量小于硅带隙的光子却多半是被金属纳米颗粒吸收，这些被金属吸收的光能往往转换为热量，无法转换为电信号而输出。

实用新型内容

为解决现有技术中硅基光电探测器不能对波长大于1200nm的入射光子有效探测的技术问题。采用的技术方案如下：

一种硅基光电探测器，所述的光电探测器为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括正面金属薄膜层、无序纳米碗阵列化硅基底、背面金属薄膜层；其中所述的正面金属薄膜层以无序纳米碗阵列化硅基底为基底通过物理法沉积所得；所述正面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成肖特基接触、背面金属薄膜层与所述无序纳米碗阵列化硅基底形成欧姆接触；且正面金属薄膜层作为探测器的前导电电极，背面金属薄膜层作为探测器的后导电电极。

优选地正面金属薄膜层的厚度为5～50nm。由于正面金属薄膜层沉积于硅纳米碗阵列基底上，该金属层的形貌并非平面结构，而是保有基底的微观形貌特征，不仅有利于激发不同波长处的表面等离子激元共振，还可以促进入射光的散射与衍射。

优选地背面金属薄膜层的厚度为50～5000nm。由于这个范围的背面金属薄膜层的厚度较大，设置于无序纳米碗阵列化硅基底背面，透过硅基底的光子到达硅底部界面时，会被背面金属薄膜层反射，再次回到器件内部，进而被硅基底或正面金属薄膜层二次或多次吸收。

优选地纳米碗的直径范围为40～300nm，深度为50～500nm。

优选地正面金属薄膜层的材质包括：金、铂、银、钛中任意一种。

优选地背面金属薄膜层的材质包括：银、铝、铟、镓、金、铂、镍材质中任意一种材质形成的薄膜层或其任意多种材质薄膜层的层叠。

优选地无序纳米碗阵列化硅基底为n型或p型掺杂，掺杂浓度为10¹⁴～10¹⁸cm^-3，厚度为100～1000μm。