[发明专利]石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构及其制备方法，此结构包括n型硅片，所述硅片的正面中部设有等离子激元黑硅，所述硅片的正面周侧设置有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有正面电极，所述等离子激元黑硅上设有石墨烯层，所述石墨烯层的周侧延伸并与所述正面电极接触；所述硅片的背面有背电极。本发明能够显著改善光电性能，拓宽响应光谱范围，增强响应度。

技术领域

本发明主要涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构及其制备方法。

背景技术

光电探测器是现代光电系统的重要组成部分，广泛应用于图像传感、光通信、工业自动化和医疗诊断等领域。人们已经研究了许多基于无机元素和复合材料(如Si、GaAs、GaP、InGaAs)的不同几何形状的高性能光电探测器。到目前为止，在这些半导体中，硅的应用最为广泛，尽管目前硅基光电探测器已经取得了巨大的进展，但由于硅的带隙是1.12eV，硅基近红外光探测器的截止波长一般在1.1μm左右，导致其探测波长范围相对较窄，长波段响应度较低。在解决这些问题的过程中，石墨烯/硅光电探测器结构被提出，石墨烯由于其超高的电子迁移率和单层结构的超低光吸收率，常作为透明电极应用在硅光电探测器中，使得探测器光响应度明显提升。典型结构如图1所示，光入射到石墨烯/平面硅近红外探测器光敏区，n型硅材料中一部分价电子在吸收足够的光子后将跃迁至导带，产生电子-空穴对。随后，电子-空穴对在内建电场的作用下被分离。其中，空穴沿内建电场方向移动，而电子则反向移动，分别通过石墨烯层和n型硅内部上下电极转移至外部电路，从而形成光电流。

但在石墨烯/硅光电探测器中，主要光吸收材料为硅，石墨烯的引入并未明显拓展其响应波长范围。即虽然石墨烯/平面硅近红外探测器在可见光波段具备良好的探测性能，但作为其主要光吸收材料的硅，其能带固有缺陷，严重制约了其在1100nm以上波长的使用，虽然通过重掺杂引入杂质能级，可在一定程度上改善其红外吸收性能，但会产生明显的俄歇复合，导致载流子寿命缩短，暗电流大等问题。同时未经处理的单晶硅晶圆片表面光滑如镜，可见光反射率较高，约为40％左右，也明显影响了其光吸收效率。

另外，传统黑硅光电探测器的光敏区由于较大的表面积，存在载流子迁移率低，寿命短，表面载流子复合而导致的暗电流明显等问题，限制了其响应度性能的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种显著改善探测器光电性能，响应光谱范围宽，响应度强的石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构，包括n型硅片，所述硅片的正面中部设有等离子激元黑硅，所述硅片的正面周侧设置有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有正面电极，所述等离子激元黑硅上设有石墨烯层，所述石墨烯层的周侧延伸并与所述正面电极接触；所述硅片的背面有背电极。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述正面电极和背电极均为金属薄膜电极，材料为金、铝或铟镓合金。

本发明还公开了一种如上所述的石墨烯/等离子激元黑硅近红外探测器结构的制备方法，包括步骤：

1)选取n型单晶硅片；

2)硅片双面氧化形成二氧化硅层；

3)硅片正面第一次光刻形成光敏区，通过黑硅制备工艺形成陷光结构；

4)硅片正面整体沉积超薄金属层并进行热处理形成纳米金属结构，与黑硅形成等离子激元黑硅；

5)硅片正面第二次光刻形成环形电极区，制备正面电极；

6)硅片背面去除二氧化硅层蒸镀背电极；