光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器及其制备方法

本发明属于半导体光电探测器，具体涉及一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器。

背景技术：

1、光通信凭借优异的传输速度与强大的信息容量等优势，已成为现代社会最重要的技术之一。因此，能够与成熟的金属氧化物半导体(cmos)制造工艺所兼容的各类硅基光子器件逐渐成为短波长通信的中坚技术。基于光与物质的相互作用，这些光电器件通过实现光信号的探测，承载着光电转换的重要功能。目前，硅基光电探测器已广泛应用于可见光谱范围(400-700nm)，但由于其带隙宽度(1.12ev)的限制，在通讯窗口1310nm与1550nm波段仍然存在较大短板。近年来，热电子探测器凭借独特的热电子发射机制广受关注。通过调节势垒高度，热电子探测器能够实现室温下亚硅带隙的光探测，成为实现近红外光电探测领域的有力之选。

2、然而，基于热电子发射机制的光电探测器件往往存在着响应带宽较窄、吸收效率较低等问题。因此，如何对光电探测器件的结构进行改进，以实现具有高吸收的宽带热电子光电探测器件，进而拓宽其在光通信、光催化、太阳能电池、光分解水等领域的应用，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中基于热电子发射机制的光电探测器件存在着响应带宽较窄、吸收效率较低等问题，本发明提出了在光通信波段实现完美吸收的宽谱热电子探测器及其制备方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，包括：硅基衬底层，所述硅基衬底层表面刻蚀形成周期性的光栅结构，所述光栅结构表面依次设有底电极层、介电层和顶电极层，所述底电极层和顶电极层的材料为氮化钛。

3、所述光栅结构的周期为0.9～1.1um，刻蚀形成的凹槽宽度为320～340nm，深度为210～230nm。

4、所述光栅结构的周期为1um，刻蚀形成的凹槽宽度为330nm，深度为220nm。

5、所述介电层的材料为氧化锌。

6、所述底电极层的厚度为45～55nm，介电层的厚度为8～12nm，顶电极层的厚度为45～55nm。

7、所述底电极层的厚度为50nm，介电层的厚度为10nm，顶电极层的厚度为50nm。

8、所述硅基衬底层的材料为单晶硅。

9、入射光为tm偏振光，电场方向沿光栅长度方向，磁场方向沿光栅宽度方向。

10、此外，本发明还提供了所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤s1：对硅片衬底进行清洗；

12、步骤s2：使用旋涂的方法在衬底上旋涂pmma光刻胶层，并通过电子束曝光技术，曝光出光栅对应的图案，再通过反应离子刻蚀法刻蚀出光栅结构所需的深度，然后去除pmma光刻胶层；

13、步骤s3、通过等离子体辅助原子层沉积工艺，在光栅结构上沉积底电极层；

14、步骤s4、通过原子层沉积工艺，在底电极层上沉积介电层；

15、步骤s5、通过等离子体辅助原子层沉积工艺，在光栅结构上沉积底电极层。

16、本发明提供了一种在光通信波段实现完美吸收的宽谱热电子探测器及其制备方法，通过对热电子光电探测器件构筑微纳光学结构，引入表面等离激元共振，实现通讯窗口高吸收的宽带探测，与现有技术相比具有以下有益效果：

17、1、响应度高：本发明通过对探测器件的结构参数进行优化设计，得到的宽谱热电子探测器具有可见至近红外宽谱响应度的特征，与同类mim结构产品所比较，高出10倍；

18、2、普适性强：本发明的探测器件，可以通过调节结构的几何参数(如单元光栅晶胞的深度、宽度)调控吸收波长的范围，具有良好的普适性；

19、3、应用波长范围广：得益于氮化钛材料的选择，本发明的探测器件在300至2000nm的波长范围内均具有响应度，远远领先于同类产品的响应带宽；

20、4、极端环境适应度高：得益于氮化钛材料的特性，本发明的探测器在高温环境下，仍具有良好的工作性能。

1.一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，包括：硅基衬底层(1)，所述硅基衬底层(1)表面刻蚀形成周期性的光栅结构，所述光栅结构表面依次设有底电极层(2)、介电层(3)和顶电极层(4)，所述底电极层(2)和顶电极层(4)的材料为氮化钛。

2.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述光栅结构的周期为0.9～1.1um，刻蚀形成的凹槽宽度为320～340nm，深度为210～230nm。

3.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述光栅结构的周期为1um，刻蚀形成的凹槽宽度为330nm，深度为220nm。

4.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述介电层(3)的材料为氧化锌。

5.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述底电极层(2)的厚度为45～55nm，介电层(3)的厚度为8～12nm，顶电极层(4)的厚度为45～55nm。

6.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述底电极层(2)的厚度为50nm，介电层(3)的厚度为10nm，顶电极层(4)的厚度为50nm。

7.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，所述硅基衬底层(1)的材料为单晶硅。

8.根据权利要求1所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器，其特征在于，入射光为tm偏振光，电场方向沿光栅长度方向，磁场方向沿光栅宽度方向。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种光通信波段完美吸收的宽谱热电子光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：