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金字塔型光电探测器有望实现大规模低成本近红外探测
2017-08-25 浏览量:1439


近红外光电检测对光谱、夜间监控、电信等应用领域具有重要意义。近年来,CMOS技术的发展使得Si基光电子器件得到了广泛应用,然而由于Si自身带隙较大,普通的Si基光电探测器通常无法在超过1200nm的近红外光谱区域有效工作。

为了解决这个问题,科学家们通过在Si基半导体晶体材料的表面沉积一层金属薄膜(如溅射工艺),形成金属-半导体之间的整流接触,即肖特基势垒结或肖特基结。肖特基结中的内部光电子发射使得Si基光电子器件能够对近红外光做出响应,从而打破了半导体带隙的限制。

沉积的金属薄膜自然对Si基光电子器件的近红外探测性能有很大的影响。目前,纳米棒、纳米线、光栅等各种金属纳米结构已经被证明可以使得Si基热电子光电探测器获得近红外区域的响应。然而,这类结构的量子效率仍然较低,虽然可以通过一些设计,如局部表面平板共振(LSPR)、Fabry-Perot共振、配置金属纳米颗粒-半导体-金属镜结构,以及构建3D深沟/薄金属腔结构等,来提高器件的效率,但是这同时也大大增加了生产工艺的复杂性和生产成本,使其无法实现大规模、低成本制造。

近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究人员联合东南大学的研究人员提出了一种可简单大面积制备等离子红外探测器的工艺,他们用Au纳米颗粒修饰了Si金字塔结构的肖特基结,实验证明他们制备的这些器件的性能与那些精心设计、成本高昂的Si基近红外光电探测器性能相当,有望应用在大规模热光伏电池和低成本红外检测中。相关研究成果发表在近期的NANOTECHNOLOGY 期刊上。(“Au nanoparticle-decorated silicon pyramids for plasmon-enhanced hot electron near-infrared photodetection”).

Au纳米颗粒装饰的Si金字塔制造工艺的示意图(©SEUSINANO)

 

目前,很多商业化的Si基太阳能电池中,都采用金字塔结构来实现光捕获或抗反射以增加有效的光程长度。借鉴这种思路,东南大学电子科学与工程学院和苏州纳米所的研究人员提出用Au纳米颗粒修饰Si金字塔肖特基结来改进等离子光电探测器。

他们所采用的工艺十分简单:通过使用标准的各向异性化学湿蚀刻法来实现Si基金字塔的构建;然后在其表面溅射一层Au薄膜;接着通过快速热退火法形成修饰的金纳米颗粒;随后在金字塔那面通过磁控溅射沉积ITO薄膜,在另一面通过热蒸发沉积铝膜作为背电极;最后,样品通过铟锡焊接到芯片载体上,就完成了探测器的制作。

研究人员对制备的探测器进行了测试,发现当Au纳米颗粒的尺寸增加时,对近红外光谱区域的吸收率增加。这主要是因为当金属纳米结构层厚度增加时,可以吸收更多的光子,从而表现为光吸收率的提升。

金字塔结构的扫描电镜图片(©SEUSINANO)

 

此外,他们还发现金字塔表面增强了入射光子与Au纳米颗粒之间的耦合效应,因为这种金字塔表面减少了背反射光并使得光子在Au纳米颗粒内部多次反射,也就是说,其增加了入射光走的距离,从而使光子可以被显著吸收。

为了进一步解释金字塔结构对热电子光电效率的影响,研究人员利用计算机模拟器件的电场分布。他们发现Au纳米粒子的引入使得器件的局部电场产生了增强,同时金字塔结构本身也增加了光的传播路程,也就是说这种器件的高性能主要归因于其Au纳米粒子和金字塔结构。

“我们所用的制造工艺是标准的湿式蚀刻技术和薄膜沉积技术,已经在SiCMOS生产中广泛使用,因此可以很好的与现行工艺兼容。”研究人员表示:“此外,我们制备光探测器与纳米使用高分辨率光刻技术精心设计制造出的近红外肖特基光电探测器性能接近,但是成本大幅降低,十分适合低成本近红外检测的大规模应用。”

 

来源:Nanotechnology

文献链接:http://sci-hub.io/10.1088/1361-6528/aa74a3