[发明专利]一种局域场增强的光电导型高速光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于表面等离激元增强的光电导型新型结构高速光电探测器及其制备方法，器件结构从下至上包括：置于底部的衬底；置于所述衬底上方的下金属电极；置于所述下金属电极上方的半导体材料层，所述半导体材料层用于产生光生载流子，并在外加电场的作用下将光生电流输运至两侧电极；置于所述半导体材料层上方的双层金属光栅电极，包含下层金属光栅电极和上层金属光栅电极；所述双层金属光栅电极通过外侧环形电极进行电连接；所述双层金属光栅电极与所述下金属电极分别构成探测器的正极和负极，用于为探测器加外置偏压。本发明提供的基于表面等离激元增强的光电导型高速光电探测器，以解决传统光探测器的响应速度低，转换效率低的问题。

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，主要涉及一种高速光电探测器及其制备方法。

背景技术

高速光电探测器是高速光电系统的关键器件。例如，在光纤通信系统的接收端，光电探测器能够把调制的光信号转换成电信号，是接收端的核心器件；在信号产生中，通过光束在光电探测器上拍频可获得高频的电信号输出。

目前报道的高速光电探测器主要有雪崩光电探测器(APD)、PIN光电探测器和单行载流子光电探测器(UTC-PD)。其中，APD在长距离光通信接收机、单光子探测等领域被广泛应用，但由于雪崩建立时间较长而高速性能较差；PIN-PD由于空穴迁移率低，空穴从本征层进入P型层的渡越时间限制了其带宽难以进一步提升；受到结电容的限制，探测器的响应速度难以提升。

光电导探测器可以响应太赫兹频率的信号，具有高速的优势。然而其半导体材料光吸收效率低，光电转换效率低是制约其应用的关键性问题。

表面等离激元是由外部电磁场诱导金属结构表面电子的集体振荡现象，它可以突破衍射极限制约，在微纳米尺度下增强光与物质的相互作用。近年来，随着微纳技术的发展，基于表面等离激元的微纳米尺度光场控结构不断被提出。通过合理的结构设计，可以将表面等离激元结构用于局域光场，提高半导体材料光吸收，从而提升光电探测器的响应度(Chem.Soc.Rev.2021,50(21):12070-12097)。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于表面等离激元增强的光电导型新型结构高速光电探测器，以解决传统光探测器的响应速度低，转换效率低的问题。

本发明的设计主要集中在探测器的重要组成部分之一的光吸收及载流子输运部位的结构。

本发明提供的一种垂直型的光电导型高速探测器结构，从下至上包括：

置于底部的衬底，所述衬底可以为Si，Cu，SOI、Ni，GaAs，InP等较高热导率的金属或半导体材料的一种或几种组合；

置于所述衬底上方的下金属电极，所述下金属电极作为垂直结构电极的下电极，进一步地，电极材料可为Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属或金属氧化物材料中的一种或几种；

半导体材料层，位于所述下金属电极上方，所述半导体材料层用于产生光生载流子，并在外加电场的作用下将光生电流输运至两侧电极；可选择的，所述半导体材料层包括下半导体层和上半导体光栅，进一步地，所述的半导体材料层的材料可为GaAs、AlAs、InAs、InGaAs、AlGaAs、InGaAsP等其中之一或多个的合金；

双层金属光栅电极，包含下层金属光栅电极和上层金属光栅电极。

所述下层金属光栅电极位于半导体材料层之上，上半导体光栅之间；

所述上层金属光栅电极位于上半导体光栅结构顶部；

所述双层金属光栅电极与所述半导体材料层形成欧姆接触，当电磁波与微纳尺寸的金属结构(包括纳米级颗粒、微结构等，此处为双层金属光栅电极)相互作用时，电子与电磁场耦合产生共振效应，即表面等离激元效应，表面等离激元效应会对入射光产生很强的吸收，同时在双层金属光栅电极间的上半导体光栅内部产生很强的电场。