本發(fā)明屬于光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光伏型光電探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

利用金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元共振衰減產(chǎn)生的熱電子注入到相鄰半導(dǎo)體產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)固態(tài)光電探測器件，首次被Halas課題組證實(shí)(《Science》第332卷，702頁)，利用此種原理的光電探測，其探測波段不受限于半導(dǎo)體的禁帶寬度，而是由金屬半導(dǎo)體之間形成的肖特基勢壘決定，而且其響應(yīng)光譜可以通過改變金屬納米結(jié)構(gòu)或者材料來調(diào)控。雖然基于此種原理具有很多優(yōu)勢，但是基于金屬納米結(jié)構(gòu)的熱電子原理實(shí)現(xiàn)光電探測的光電轉(zhuǎn)換效率與現(xiàn)有的光電探測器件相比還具有很大差距。因此各種提高轉(zhuǎn)換效率的方案先后被提出，包括超表面完美吸收層結(jié)構(gòu)(《Nano letter》第14卷，3510頁)，納米凹槽陣列結(jié)構(gòu)(《Nature Communication》第5卷，3288頁)等。

雖然上述這些技術(shù)通過超表面或者諧振腔的效應(yīng)都展示了一定程度上的光吸收性能和探測性能的提升，然而技術(shù)工藝的復(fù)雜度以及其在寬波段和寬角度性能提升的限制需要業(yè)界進(jìn)一步探索更有效的方案。

作為陽極氧化工藝制備AAO膜的副產(chǎn)物，利用濕法刻蝕去除上層氧化鋁孔薄膜得到鋁襯底表面由大面積的三維錐形陣列和凹槽陣列組成，在其表面蒸鍍其他薄膜結(jié)構(gòu)之后，將具有良好的寬波段寬角度的減反特性和吸收特性，該鋁襯底制備工藝簡單，而且便于大面積制備，納米錐陣列和凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以通過制備工藝簡單靈活地調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有基于熱電子原理光電探測器的窄波段，角度敏感以及制備工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出一種利用簡單成熟低成本制備得到錐形超表面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種寬光譜寬角度的光伏型光電探測器。

技術(shù)方案：

一種基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光伏型光電探測器，包括自下而上依次設(shè)置的金屬襯底、半導(dǎo)體薄膜層以及金屬薄膜層；所述金屬襯底的表面為三維納米錐陣列結(jié)構(gòu)；所述半導(dǎo)體薄膜層材料的禁帶寬度大于入射光的光子能量。

所述金屬襯底上的三維納米錐的高度在100-1000nm之間，所述三維納米錐之間的間距保持在100-2000nm之間；所述半導(dǎo)體薄膜層的厚度在20-100nm之間；所述金屬薄膜層的厚度在15-50nm之間。

所述金屬薄膜層的材料為金、銀、鋁、銅、鉑，鈦，或由上述金屬組成的合金。

所述半導(dǎo)體薄膜層材料為二氧化鈦；所述金屬薄膜層材料為金；所述金薄膜層的厚度為20nm，所述二氧化鈦半導(dǎo)體層的厚度為40nm；所述三維納米錐陣列為非周期性陣列，高度在100-500nm之間，所述三維納米錐之間的間距保持在100-500nm之間。

所述半導(dǎo)體薄膜層材料為硅；所述金屬薄膜層材料為金；所述金薄膜層的厚度為15nm，所述硅薄膜層的厚度為50nm；所述三維納米錐陣列為非周期性陣列，高度在500-1000nm之間，所述三維納米錐之間的間距保持在1000-2000nm之間。

所述金屬襯底為鋁襯底或?yàn)楸砻嬷苽溆衅渌饘倌さ匿X襯底，所述金屬膜材料為金、銀、鋁、銅、鉑，鈦或由上述金屬組成的合金。

所述金屬襯底的表面的三維納米錐為圓錐、三棱錐、四棱錐或其他多棱錐，所述三維納米錐的錐面為凹面、平面或者凸面。

一種基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光電探測器的制備方法，包括步驟：

①將表面拋光的鋁箔作為襯底，并用陽極氧化工藝在其表面制備一層多孔陽極氧化鋁薄膜；

②將鋁襯底上層的多孔陽極氧化鋁薄膜用腐蝕液去除，得到表面為三維納米錐陣列的鋁襯底；

③在鋁襯底上利用半導(dǎo)體薄膜沉積的方法制備半導(dǎo)體薄膜層；

④在半導(dǎo)體薄膜層上通過金屬薄膜沉積的方法制備金屬薄膜層。

有益效果：1、相對于傳統(tǒng)的基于光生電子空穴原理的光電探測器件，本探測器的工作機(jī)制是基于金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元共振衰減形成的熱電子原理，因此可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光電響應(yīng)譜的調(diào)節(jié)而不依賴與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。另外此錐形超表面結(jié)構(gòu)，避免了共振引起的窄波段吸收缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)寬波段光電探測，另外錐形結(jié)構(gòu)的吸收對角度不敏感，實(shí)現(xiàn)寬角度的高效光電探測。

2、金屬薄膜層即作為光吸收層提供熱電子，又與鋁襯底之間連接形成回路，收集電子，將不存在熱電子供應(yīng)的問題，而且由于金屬層和半導(dǎo)體層之間形成肖特基異質(zhì)結(jié)和內(nèi)建電場，將無需外加電源即可實(shí)現(xiàn)光電探測。

3、此種錐形表面結(jié)構(gòu)利用陽極氧化工藝和薄膜蒸鍍工藝，無需高精度的微納加工工藝，便于大面積制備。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中1-鋁襯底，2-半導(dǎo)體薄膜層，3-金屬薄膜層；

圖2是本發(fā)明的等離激元熱電子產(chǎn)生輸運(yùn)隧穿注入原理示意圖；

圖3是本發(fā)明的制備方法各個(gè)步驟對應(yīng)的剖面圖；

圖4是本發(fā)明的電路連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖1所示，本發(fā)明基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光伏型光電探測器包括自下而上依次設(shè)置的表面為三維納米錐陣列結(jié)構(gòu)的金屬襯底1、材料禁帶寬度大于入射光的光子能量半導(dǎo)體薄膜層2以及金屬薄膜層3。該三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成錐形超表面結(jié)構(gòu)，通過控制金屬薄膜層厚度，半導(dǎo)體層材料厚度或者三維納米錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)控超吸收的吸收頻段，此超表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)寬波段寬角度的高效光吸收，并將等離激元共振吸收的光轉(zhuǎn)換為熱電子注入到半導(dǎo)體中，轉(zhuǎn)換為光電流，實(shí)現(xiàn)了寬波段寬角度的高效率光電探測。

具體的，該錐形超表面結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體薄膜層2厚度在20-100nm之間,上層金屬薄膜層3的厚度在15-50nm之間。三維納米錐陣列既可以是周期性陣列，也可以是非周期性陣列，三維納米錐的高度在100-1000nm之間，三維納米錐之間的間距保持在100-2000nm之間。半導(dǎo)體薄膜層2材料的禁帶寬度需要大于工作波段入射光的光子能量，對不同波段的入射光有所不同。如當(dāng)入射光為可見光時(shí)，半導(dǎo)體薄膜層2為氧化鋅(ZnO)或二氧化鈦(TiO₂)等寬禁帶半導(dǎo)體；當(dāng)入射光為紅外光時(shí)，半導(dǎo)體薄膜層2為硅(Si)或氧化鋅(ZnO)或二氧化鈦(TiO₂)。金屬薄膜層3既作為光電探測的電子輸出極，又作為超表面結(jié)構(gòu)中的光吸收層，將等離激元共振吸收的光轉(zhuǎn)換為高能熱電子注入到相鄰的半導(dǎo)體薄膜層中。金屬薄膜層的材料為金、銀、鋁、銅、鉑，鈦，或由上述金屬組成的合金。錐形超表面結(jié)構(gòu)所選用的各層材料要保證金屬薄膜層和半導(dǎo)體薄膜層之間形成肖特基接觸，而半導(dǎo)體薄膜層和金屬襯底之間要形成歐姆接觸。

在本發(fā)明中，金屬襯底為鋁襯底或?yàn)楸砻嬷苽溆衅渌饘倌さ匿X襯底，所述的金屬膜材料為金、銀、鋁、銅、鉑，鈦或由上述金屬組成的合金。金屬襯底的表面的三維納米錐為圓錐、三棱錐、四棱錐或其他多棱錐，所述三維納米錐的錐面為凹面、平面或者凸面。

器件的具體工作原理為：當(dāng)入射光入射到探測器錐形上表面時(shí)，由于圓錐形的超表面結(jié)構(gòu)不同于利用普通等離激元共振模式或者諧振腔只能在單一波長或者單一入射角度才能實(shí)現(xiàn)超吸收的超表面結(jié)構(gòu)，此種錐形結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的寬波段寬角度的超吸收，上層金屬薄膜結(jié)構(gòu)吸收的光輻射能量傳遞給薄膜金屬的導(dǎo)帶上電子，電子能量隨即升高，成為熱電子(如圖2中步①)。之后具有高能量的熱電子輸運(yùn)到金屬半導(dǎo)體界面(步②)，最后熱電子躍遷或隧穿肖特基勢壘注入到相鄰的半導(dǎo)體材料中去(步③)，如被外電路收集將會產(chǎn)生電流信號。因此本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)寬波段寬角度的光電探測。

另外本發(fā)明還提供一種該基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光伏型光電探測器的制備方法，包括依次進(jìn)行的如下步驟(如附圖3)：

①將表面拋光的鋁箔作為襯底，并用陽極氧化工藝在其表面制備一層多孔陽極氧化鋁薄膜；

②將鋁襯底上層多孔陽極氧化鋁薄膜用腐蝕液去除，得到表面為三維納米錐陣列的鋁箔襯底；

③在襯底上利用半導(dǎo)體薄膜沉積的方法制備半導(dǎo)體層；

④在半導(dǎo)體層上通過金屬薄膜沉積的方法制備金屬層。

下面結(jié)合實(shí)例圖介紹具體的實(shí)施例。

實(shí)施例一

為實(shí)現(xiàn)一種適用于可見光區(qū)寬光譜寬角度的光電探測器，本實(shí)施例基于錐形超表面結(jié)構(gòu)的光電探測器包括表面為三維納米錐陣列結(jié)構(gòu)的鋁襯底，二氧化鈦半導(dǎo)體層，金薄膜層。其中金薄膜層的厚度為20nm，二氧化鈦半導(dǎo)體層的厚度為40nm。納米錐陣列為非周期性陣列，納米錐的高度在100-500nm之間，納米錐之間的間距保持在100-500nm之間。

當(dāng)可見光全波段光入射到探測器錐形上表面時(shí)，由于圓錐形的超表面結(jié)構(gòu)不同于利用普通利用等離激元共振模式或者諧振腔只能在單一波長或者單一入射角度才能實(shí)現(xiàn)超吸收的超表面結(jié)構(gòu)，此種錐形結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的寬波段寬角度的超吸收，

上層金屬薄膜結(jié)構(gòu)吸收的光輻射能量傳遞給金薄膜的導(dǎo)帶上電子，電子能量隨即升高，成為熱電子(如圖2中步①)。之后具有高能量的熱電子輸運(yùn)到金薄膜/二氧化鈦(步②)，最后熱電子躍遷或隧穿肖特基勢壘注入到鋁襯底中(步③)，如被外電路收集將會產(chǎn)生電流信號。因此本發(fā)明可以可見光全波段寬角度的光電探測。

本實(shí)施例由如下制備工藝方法實(shí)現(xiàn)(參照附圖3)：

(1)將表面拋光的鋁箔作為襯底，并用陽極氧化工藝在其表面制備一層多孔陽極氧化鋁薄膜；

(2)將鋁襯底上層多孔陽極氧化鋁薄膜用腐蝕液去除，得到表面為三維納米錐陣列的鋁箔襯底；

(3)在襯底上利用電子束蒸發(fā)沉積二氧化鈦薄膜；

(4)在二氧化鈦薄膜上上通過磁控濺射沉積金薄膜層。

實(shí)施例二

為實(shí)現(xiàn)一種適用于近紅外區(qū)寬光譜寬角度的光電探測器，不同于實(shí)施例1，本實(shí)施例的半導(dǎo)體薄膜層采用為硅薄膜，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為金薄膜層厚度為15nm，硅薄膜層的厚度為50nm。納米錐陣列為非周期性陣列，納米錐的高度在500-1000nm之間，納米錐之間的間距保持在1000-2000nm之間。當(dāng)紅外區(qū)的入射光探測器表面，由于圓錐形的超表面結(jié)構(gòu)不同于利用普通利用等離激元共振模式或者諧振腔只能在單一波長或者單一入射角度才能實(shí)現(xiàn)超吸收的超表面結(jié)構(gòu)，此種錐形結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的寬波段寬角度的超吸收。

上層金屬薄膜結(jié)構(gòu)吸收的光輻射能量傳遞給金薄膜的導(dǎo)帶上電子，電子能量隨即升高，成為熱電子(如圖2中步①)。之后具有高能量的熱電子輸運(yùn)到金薄膜/硅(步②)，最后熱電子躍遷或隧穿肖特基勢壘注入到鋁襯底中(步③)，如被外電路收集將會產(chǎn)生電流信號。因此本發(fā)明可以近紅外全波段寬角度的光電探測。

本實(shí)施例由如下制備工藝方法實(shí)現(xiàn)(參照附圖3)：

(1)將表面拋光的鋁箔作為襯底，并用陽極氧化工藝在其表面制備一層多孔陽極氧化鋁薄膜；

(2)將鋁襯底上層多孔陽極氧化鋁薄膜用腐蝕液去除，得到表面為三維納米錐陣列的鋁箔襯底；

(3)在襯底上利用化學(xué)氣相沉積沉積硅薄膜；

(4)在硅薄膜上上通過電子束蒸發(fā)沉積金薄膜層。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。