[发明专利]近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法，该光电探测器包括本征Si衬底层，位于本征Si衬底层上方的绝缘反射层，位于绝缘反射层上方的本征Ge衬底层，位于本征Ge衬底层表面两侧的金属电极，以及位于金属电极之间的复合纳米结构阵列，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和位于Ge纳米结构上方的金属纳米结构。本发明通过在本征Ge衬底层上形成包括Ge纳米结构和金属纳米结构复合纳米结构阵列，实现了Ge材料的本征吸收以及Ge上金属内部电子热吸收的双吸收机制，扩大了吸收范围，提高了探测效率；同时可通过调整结构参数实现红外通信波段的不同双波段响应。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测技术一直以来是人们重点关注的研究方向。近红外光电探测器由于具有灵敏度高、空间分辨率好、动态范围大、抗干扰能力强以及能在恶劣环境下昼夜工作等优点，因而被广泛应用于遥感、火控、检测、信息传输等军事民生领域。近年来，随着光纤通信的飞速发展，对近红外光接收机的性能要求也越来越高。制备波长响应在近红外波段的高响应度、高速率及低噪声的探测器也成为人们一直以来追求的目标。

目前，虽然用III-V半导体材料制备该波段的探测器方面已经取得了很大的进展，并且早已进入产业化阶段，但其价格昂贵、热学机械性差以及不能与现有的主流Si基CMOS工艺集成等因素限制了它在Si基集成器件方面的应用。尽管Si基光电探测器在可见光波段已经趋于成熟，但由于Si的光电响应截止波长约为1100nm，单一Si材料一般无法实现近红外通讯波段的光电探测，如何在Si基上集成通信波段光电探测器是相关领域面临的一个重大瓶颈技术。

意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所的M.Lodari等人在2019年发表文章提出一种新型Ge光电探测器，通过优化在Ge上制作的Au叉指电极实现吸收增强。其结构的Si衬底上方为Ge材料，Ge材料上方为金属光栅。通过特定入射波长的光与周期性的叉指电极进行耦合，产生光栅衍射从而实现吸收增强。调整金属几何结构的周期性和横向尺寸来增强特定波长光的吸收可进一步提高光电探测器的响应度。然而，该结构只有一种吸收机制为Ge材料的本征吸收，吸收范围较小，探测效率比较低，且只能探测单一近红外波段。

中国科学院纳米技术研究中心的Wang,K等设计并实验展示了一个可见光和近红外双波段光电探测器，该探测器由平面外的Au光栅和n⁺-Si槽基超材料组成。模拟、实验和计算结果表明，不同界面的表面等离子体激元共振(SPR)和硅槽共振可以调制吸收光谱。可见光吸收主要由Si沟道共振、Au-空气界面的SPRs和Au-Si界面的高频模式SPRs引起。近红外吸收是由Au-Si界面的SPRs引起的。此外，上下金光栅的面外耦合导致电场增强和SPR吸收的展宽。在无外加偏压的情况下，可见光和近红外波段的光响应率分别大于7和3mA/W，在535nm处的最大响应率为13mA/W。然而，该结构受Si的禁带宽度限制，探测波长范围主要集中在可见光范围，在红外通信波段探测效率比较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种近红外双波段等离子体Ge基光电探测器，包括：本征Si衬底层，位于所述本征Si衬底层上方的绝缘反射层，位于所述绝缘反射层上方的本征Ge衬底层，位于所述本征Ge衬底层表面两侧的金属电极，以及位于所述金属电极之间的复合纳米结构阵列，其中，每个复合纳米结构阵列单元包括Ge纳米结构和位于所述Ge纳米结构上方的金属纳米结构。

在本发明的一个实施例中，所述Ge纳米结构包括第一Ge纳米线和第二Ge纳米线，其中，所述第二Ge纳米线为中空状结构，所述第一Ge纳米线位于所述第二Ge纳米线中心，且两者之间具有一定间距；