基于硅基室温红外热电子光电探测器、制备方法及应用

本发明涉及光电探测，尤其是指一种基于硅基室温红外热电子光电探测器、制备方法及应用。

背景技术：

1、由于硅材料对低于能量带隙的红外波段是透明的，硅光电探测器存在着工作波长限制，无法在这个波段实现光电探测，参照文献：[nanophotonics,2016,5(1):96-111]。由于金属是没有能量带隙的，因此可以利用金属吸收红外光产生的热电子实现低于硅带隙的红外光子能量探测，参照文献：[nanophotonics,2017,6(1):177-191],从而扩展硅光电探测系统的响应波段。通过金属和硅接触形成的肖特基结来收集热电子的光电探测器具有工作波段宽和偏振依赖性可调等优点，因此获得广泛应用和关注，参照文献：[naturenanotechnology,2015,10(1):25-34]。然而，由于常规的贵金属如金和银等具有较高的反射率，器件中热电子的产生率和光电转换效率相当低。

2、如何提高金属的光吸收效率和热电子输运、收集效率成为限制热电子光电探测器中响应度的关键，在现有技术中：

3、例如：lijian zhang等人利用高度不对称的集成光栅结构实现了吸收率和响应度的提升，参照文献：[appl.phys.lett.122,031101(2023)]。此外cheng zhang等人设计了金包裹的硅纳米锥结构，参照文献：[adv.funct.mater.2023,2304368]，沿锥形针尖的混合等离子体模式提供了巨大的场增强和宽带响应。此外还有公开号为cn113097335b，发明名称为：波导耦合等离增强型ge基红外光电探测器及其制备方法的中国专利，提出的在绝缘衬底上硅(soi)上采用波导结构和金属光栅实现了ge本征吸收以及金属光栅中热电子吸收的双重吸收，扩大了吸收范围。再比如公开号为：cn115411188a，发明名称为基于金属纳米颗粒等离子激元增强单壁碳纳米管薄膜/硅异质结红外光电探测器的制备方法的中国专利，利用纳米金属颗粒在光激发下产生的等离子激元共振大幅提高电子空穴对的产生效率，从而提高器件的响应度。

4、然而，这些现有技术都采用微纳结构，对纳米技术加工要求极高，成本昂贵，并不适用于实际的应用环境。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中采用微纳结构制备的光电探测器，加工要求极高，成本昂贵的问题，提供一种基于硅基室温红外热电子光电探测器、制备方法及应用，该光电探测器具有宽带吸收、结构简单、响应速度快等优点，有助于提升近红外波段光电探测器性能且能应用于近红外波段成像与通信。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅基室温红外热电子光电探测器，包括基底和设置在所述基底上的平面多层结构，所述平面多层结构包括：

3、底部导电电极；

4、硅膜层，设置在所述底部导电电极上，所述底部导电电极与所述硅膜层形成欧姆接触，构成光学反射器；

5、过渡金属膜层，设置在所述硅膜层上，所述硅膜层与所述过渡金属膜层形成肖特基接触，设置所述硅膜层的厚度小于硅膜层与过渡金属膜层形成肖特基结的耗尽层宽度，所述过渡金属膜层吸收近红外光，产生热电子注入到所述硅膜层中，所述热电子被底部电极收集形成光电流；

6、透明电介质膜层，设置在所述过渡金属膜层上，所述透明电介质膜层作为减反层，能够减少入射光的反射。

7、在本发明的一个实施例中，所述底部导电电极包括钛、金、铝三层薄膜，其中：设置钛膜层大于5nm、设置金膜层厚度大于40nm、设置铝膜层的厚度在30nm以上。

8、在本发明的一个实施例中，所述底部导电电极材质选自金、银、铬和铝贵金属或过渡金属中的至少一种。

9、在本发明的一个实施例中，所述硅膜层为轻掺杂的n型或者p型硅薄膜，所述硅膜层的电阻率为0.1～100ω·cm，厚度为10nm～5μm。

10、在本发明的一个实施例中，所述过渡金属膜层选自金、铂、铁、铬、钛中的至少一种。

11、在本发明的一个实施例中，所述过渡金属膜的厚度为5～100nm

12、在本发明的一个实施例中，所述透明电介质膜层材料选自氟化镁、氮化硅、氧化硅或pmma中的至少一种。

13、在本发明的一个实施例中，所述透明电介质膜层的厚度为50-500nm。

14、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅基室温红外热电子光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

15、s1、将绝缘衬底上的硅基底放入氢氟酸溶液中去除氧化硅层得到悬浮在溶液中的硅膜层；

16、s2、把硅膜层转移到目标衬底上，并进行风干处理；

17、s3、在硅膜层的一面真空镀膜沉积铝膜层；

18、s4、将步骤s3得到的结构转移到有机溶剂中静置；

19、s5、将漂浮在有机溶剂里的结构转移到钛金电极上并风干，在铝膜层外形成金膜层；

20、s6、将步骤s5得到的结构外真空镀膜沉积钛膜层，所述钛膜层、金膜层和铝膜层在硅膜层的一层形成底部导电电极，所述钛膜层在硅膜层的另一侧形成过渡金属膜层；

21、s7、在过渡金属膜层上旋涂氟化镁、氮化硅、氧化硅或pmma中的至少一种材料，形成透明电介质膜层。

22、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于硅基室温红外热电子光电探测器的应用，采用上述基于硅基室温红外热电子光电探测器，将光电探测器在光通信和近红外成像中应用。

23、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

24、本发明所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，具有宽带吸收、结构简单、响应速度快的优点，有助于提升近红外波段光电探测器性能且能应用于近红外波段成像与通信；

25、利用平面多层结构作为近红外波段的宽带吸收器件，对偏振不敏感，对入射角度不敏感，对多层薄膜的允许厚度误差较大，从而对加工技术的要求并不是很高，较容易制备，且成本较低，便于推广使用；

26、设置硅膜层的厚度小于硅膜层与过渡金属膜层形成肖特基结的耗尽层宽度，有利于电子收集；

27、采用过渡金属层实现近红外波段1200nm到2000nm的宽带高效吸收，提高热电子产生效率，同时可以大大减少热电子在传输过程中的热化损失，提高电子收集效率；

28、并且，通过实验验证表明本发明的基于硅基室温红外热电子光电探测器在1200nm到1800nm波段内的最高响应度为513na/mw，且在1200nm到1800nm内均有光响应，用1310单模激光器测试响应时间，其上升沿和下降沿分别为55μs和58μs，为超快的响应。

技术特征：

1.一种基于硅基室温红外热电子光电探测器，包括基底和设置在所述基底上的平面多层结构，其特征在于，所述平面多层结构包括：

2.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述底部导电电极包括钛、金、铝三层薄膜，其中：设置钛膜层大于5nm、设置金膜层厚度大于40nm、设置铝膜层的厚度在30nm以上。

3.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述底部导电电极材质选自金、银、铬和铝贵金属或过渡金属中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述硅膜层为轻掺杂的n型或者p型硅薄膜，所述硅膜层的电阻率为0.1～100ω·cm，厚度为10nm～5μm。

5.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述过渡金属膜层选自金、铂、铁、铬、钛中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述过渡金属膜的厚度为5～100nm。

7.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述透明电介质膜层材料选自氟化镁、氮化硅、氧化硅或pmma中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，其特征在于：所述透明电介质膜层的厚度为50-500nm。

9.一种基于硅基室温红外热电子光电探测器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

10.一种基于硅基室温红外热电子光电探测器的应用，其特征在于：采用上述权利要求1～8任意一项所述的基于硅基室温红外热电子光电探测器，将光电探测器在光通信和近红外成像中应用。

技术总结
本发明涉及一种基于硅基室温红外热电子光电探测器、制备方法及应用，包括基底和设置在基底上的平面多层结构，平面多层结构包括：底部导电电极、硅膜层、过渡金属膜层和透明电介质膜层，底部导电电极与硅膜层形成欧姆接触，构成光学反射器；硅膜层与过渡金属膜层形成肖特基接触，设置硅膜层的厚度小于硅膜层与过渡金属膜层形成肖特基结的耗尽层宽度，过渡金属膜层吸收近红外光，产生热电子注入到硅膜层中，热电子被底部电极收集形成光电流；透明电介质膜层作为减反层，能够减少入射光的反射。本发明的光电探测器具有宽带吸收、结构简单、响应速度快等优点，有助于提升近红外波段光电探测器性能且能应用于近红外波段成像与通信。

技术研发人员：张程,吴乘焓,黄炳林,李孝峰,王绍军,陈泽锋
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17