光敏元件的制作方法
【專利摘要】一種光敏元件，包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極，納米孔陣列層設有貫穿納米孔陣列層的納米孔，納米孔沿納米孔陣列層的厚度方向延伸，半導體有源層、納米孔陣列層和亞微米顆粒層依次層疊，納米孔陣列層和亞微米顆粒層的兩端對齊，陽極和陰極均位于半導體有源層上，且陽極和陰極分別位于納米孔陣列層和亞微米顆粒層的兩端。上述光敏元件，當亞微米顆粒被入射光激發時，其內部的自由電子產生的局域表面等離子體共振會使得該亞微米顆粒表面的局域電磁場被極大增強。通過亞微米顆粒結構和納米孔陣列結構之間的局域表面等離子體共振耦合作用能夠使得半導體產生的載流子數量增強，從而提高半導體的光電流強度，提高靈敏度。
【專利說明】光敏元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學器件【技術領域】，尤其涉及一種光敏元件。
【背景技術】
[0002]紅外技術具有隱蔽性好、不受電磁干擾、受環境影響小、探測能力強和作用距離遠等特點，因而在軍事和民用方面都有很高的應用價值。紅外技術發展的先導是紅外探測器的發展，以半導體為核心的光子探測器是當前紅外探測器的主流，半導體光敏元件是探測器的核心部件。當前國內外研宄人員從半導體材料和加工工藝方面改進量子效率，近年來已有研宄報道顯示金屬微納米結構的表面等離子體光學特性可以增強半導體的光吸收，從而改進半導體的量子效率。然而，傳統的半導體光敏元件的靈敏度不是很高。
【發明內容】
[0003]鑒于此，有必要提供了一種靈敏度較高的光敏元件。
[0004]一種光敏元件，包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極，所述納米孔陣列層設有貫穿所述納米孔陣列層的納米孔，所述納米孔沿所述納米孔陣列層的厚度方向延伸，所述半導體有源層、所述納米孔陣列層和所述亞微米顆粒層依次層疊，所述納米孔陣列層和所述亞微米顆粒層的兩端對齊，所述陽極和所述陰極均位于所述半導體有源層上，且所述陽極和所述陰極分別位于所述納米孔陣列層和亞微米顆粒層的兩端。
[0005]在其中一個實施例中，所述半導體有源層的材料為硅、鍺或銦鎵砷至少一種。
[0006]在其中一個實施例中，所述納米孔陣列層的材料為金、銀或銅。
[0007]在其中一個實施例中，所述納米孔陣列層的所述納米孔的孔徑為300nm?400nm，相鄰的所述納米孔之間的距離為0.1nm?200nm，所述納米孔陣列層的厚度為50nm?10nm0
[0008]在其中一個實施例中，所述納米孔陣列層的所述納米孔的孔徑為350nm。
[0009]在其中一個實施例中，所述亞微米顆粒層的材料可以為金、銀或銅。
[0010]在其中一個實施例中，所述亞微米顆粒層的亞微米顆粒包括中心納米顆粒和凸出于所述中心納米顆粒表面的多顆周圍納米顆粒。
[0011]在其中一個實施例中，所述中心納米顆粒的粒徑為200nm?400nm，所述周圍納米顆粒的粒徑為10nm?150nm。
[0012]在其中一個實施例中，所述亞微米顆粒層的亞微米顆粒的粒徑為300nm?550nm。
[0013]在其中一個實施例中，所述陽極的材料為金、銀、銅或鉑，所述陰極的材料為金、銀、銅或鉑。
[0014]上述光敏元件，通過將亞微米顆粒結構、納米孔陣列結構與半導體相結合，當亞微米顆粒被入射光激發時，其內部的自由電子產生的局域表面等離子體共振會使得該亞微米顆粒表面的局域電磁場被極大增強，展現出強烈的表面等離子體共振吸收。由于局域場的增強，從而使半導體表面上的金屬粒子能夠有效增強半導體的光吸收能力。因此，通過亞微米顆粒結構和納米孔陣列結構之間的局域表面等離子體共振耦合作用能夠使得半導體產生的載流子數量增強，從而提高半導體的光電流強度，從而提高該光敏元件的靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為一實施方式的光敏元件的結構示意圖；
[0016]圖2為亞微米顆粒在在納米孔陣列層表面的隨機分布圖；
[0017]圖3為亞微米顆粒的結構示意圖；
[0018]圖4為亞微米銀顆粒和球形銀納米顆粒的消光截面積曲線圖；
[0019]圖5為實施例1?3的光敏元件相比于半導體有源層的光電流的增強倍數曲線圖；
[0020]圖6為實施例4的光敏元件的相比于半導體有源層的光電流的增強倍數曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清晰，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0022]請參閱圖1和圖2，一實施方式的光敏元件100，包括半導體有源層10、納米孔陣列層20、亞微米顆粒層30、陽極40和陰極50。納米孔陣列層20設有貫穿納米孔陣列層20的納米孔22，納米孔22沿納米孔陣列層20的厚度方向延伸。納米孔陣列層20的納米孔22呈陣列分布。半導體有源層10、納米孔陣列層20和亞微米顆粒層30依次層疊，納米孔陣列層20和亞微米顆粒層30的兩端對齊，陽極40和陰極50均位于半導體有源層10上，且陽極40和陰極50分別位于納米孔陣列層20和亞微米顆粒層30的兩端。
[0023]半導體有源層10的材料可以為硅(Si)、鍺(Ge)或銦鎵砷(InGaAs)至少一種。當然，半導體有源層10也可以為其他半導體材料，半導體有源層10的材料可以實際情況進行選擇。
[0024]納米孔陣列層20的結構如圖2所示。納米孔陣列層20的材料可以為金、銀或銅。納米孔陣列層20的納米孔22的孔徑可以為300nm?400nm。在其中一個實施例中，納米孔陣列層20的納米孔22的孔徑為350nm。
[0025]納米孔陣列層20的厚度可以為50nm?lOOnm。納米孔陣列層20的厚度為50nm?10nm時，納米孔陣列層20的透射率較大。納米孔陣列層20的透射率通過在納米孔陣列層20的上下兩側設置監視器來測量。納米孔陣列層20的厚度太小，其和亞微米顆粒層30的耦合作用也會相應減小，從而不利于提高光敏元件100的光電轉換效率。然而隨著納米孔陣列層20的納米孔的深度的增加，其透射率隨之明顯下降。由于，納米孔陣列層20的透射率與納米孔22周圍產生的局域表面等離子體相關聯。表面等離子體本質上是倏逝波，倏逝波在傳播的過程中隨距離變化而發生衰減，而隨著孔深的增加，倏逝波到達納米孔22的出射端需要傳輸的距離就越遠，衰減效果就更加的明顯，這就導致了在納米孔22的出射端能用于耦合輻射光的倏逝波能量下降，由于能量的下降以及耦合輻射作用的減弱使得納米孔陣列層20的透射率隨著厚度的增加而降低。
[0026]納米孔陣列層20的相鄰的納米孔22之間的距離可以為0.1nm?200nm。S卩，相鄰的納米孔22之間的壁厚可以為0.1nm?200nm。納米孔陣列層20的納米孔之間的距離變化時，照射到納米孔陣列層20上的光的透射率也相應變化。當相鄰的納米孔22之間的距離不斷增大時，納米孔陣列層20的透射率先增大，在相鄰的納米孔22之間的距離為10nm時透射率達到最大，而當相鄰的納米孔22之間的距離進一步增大時納米孔陣列層20的透射率開始逐漸降低。優選的，納米孔陣列層20的納米孔之間的距離為lOOnm。
[0027]亞微米顆粒層30的材料可以為金、銀或銅。
[0028]請參考圖2，亞微米顆粒32隨機分布在納米孔陣列層20的表面。請參考圖3，亞微米顆粒層30的亞微米顆粒32包括中心納米顆粒322和凸出于中心納米顆粒322表面的多顆周圍納米顆粒324。
[0029]中心納米顆粒322的粒徑可以為200nm?400nm，周圍納米顆粒324的粒徑可以為10nm?150nm。當然，中心納米顆粒322的粒徑以及周圍納米顆粒324的粒徑都可以根據實際需要進行調整。
[0030]亞微米顆粒層30的亞微米顆粒32的粒徑可以為300nm?550nm。根據中心納米顆粒322表面的周圍納米顆粒324的數量不同，亞微米顆粒32的粒徑會產生相應的變化。亞微米顆粒32隨機分布在納米孔陣列層20的表面。亞微米顆粒32之間相互分散，具有間隙。
[0031 ] 相比于球形納米顆粒，球形納米顆粒上所有電子振動相位與入射電磁場相同，這種情況下，球形納米粒子上只存在偶極等離子體振蕩模式。而亞微米顆粒由多顆球形納米顆粒形成，由于結構尺度增大而且在表面引入有微結構，此時，亞微米顆粒表面的高階等離子體振蕩模式被激發，由于沿粒子空間伸展方向上的各點電子的振動在較短入射光作用下相位不一致而產生相位延遲效應，導致高階等離子體振蕩模式的激發波長要小于偶極等離子體振蕩模式的激發光。因此，亞微米顆粒的尺寸不斷增大的時候，其表面的等離子振蕩模式的特征峰也隨之不斷紅移并且展寬，并且產生新的高階等離子體振蕩模式。相比于球形納米粒子只有偶極等離子體振蕩模式，亞微米顆粒除了偶極等離子體振蕩模式之外還存在四極和八極等離子體振蕩模式。如圖4所示，虛線為粒徑為10nm的球形銀納米顆粒消光截面積曲線，實線為亞微米銀顆粒的消光截面積曲線。亞微米銀顆粒由粒徑為400nm的中心納米顆粒和其周圍的26顆粒徑為10nm的周圍納米顆粒構成。從圖中可以看出，亞微米銀顆粒的消光截面積明顯大于球形銀納米顆粒的消光截面積。消光截面積是吸收截面積和散射截面積之和。
[0032]陽極40的材料可以為金、銀、銅、鉑或者其他貴金屬材料。陰極50的材料為金、銀、銅、鉑或者其他貴金屬材料。
[0033]上述光敏元件100，通過將亞微米顆粒結構、納米孔陣列結構與半導體相結合，當亞微米顆粒被入射光激發時，其內部的自由電子產生的局域表面等離子體共振會使得該亞微米顆粒表面的局域電磁場被極大增強，展現出強烈的表面等離子體共振吸收。由于局域場的增強，從而使半導體表面上的金屬粒子能夠有效增強半導體的光吸收能力，因此，通過亞微米顆粒結構和納米孔陣列結構之間的局域表面等離子體共振耦合作用能夠使得半導體產生的載流子數量增強，從而有效提高半導體的光電流強度，從而極大的提高該光敏元件的靈敏度。
[0034]下面通過具體實施例來對光敏元件進行說明。
[0035]實施例1
[0036]制備光敏元件I，光敏元件I包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極。其中半導體有源層的材料為硅。納米孔陣列層的納米孔的孔徑350nm，納米孔陣列層的厚度為50nm，相鄰的納米孔之間的距離為lOOnm。納米孔陣列層的材料為銀。亞微米顆粒層由亞微米銀顆粒形成。亞微米銀顆粒包括粒徑為200nm的中心銀納米顆粒和凸出于中心銀納米顆粒表面上的18顆粒徑為10nm的周圍銀納米顆粒。陽極和陰極的材料均為銀。
[0037]將波長為700nm?1600nm光線從亞微米顆粒層一側照射到光敏元件I上，光線經過亞微米顆粒層、納米孔陣列層的納米孔后照射到半導體有源層表面。通過表面等離子體的作用使得半導體有源層內部產生的載流子增多，從而使得光電流得到增強。光電流的增強倍數如圖5所示，從圖中可以看出，相比于單純的半導體有源層的光電流大小，在波長大于1200nm的光照下，光敏元件I中的金屬微納米結構的作用使得半導體有源層的光電流強度在波長大于1200nm的光照條件下得到了明顯的增強。
[0038]實施例2
[0039]制備光敏元件II，光敏元件II的結構和實施例1的光敏元件I的結構基本相同。不同之處在于，光敏元件II中納米孔陣列層的上方層疊的是粒徑為10nm的球形銀納米顆粒層，而不是亞微米銀顆粒層。
[0040]將波長為700nm?1600nm光線從球形銀納米顆粒層一側照射到光敏元件II上，得到的光電流的增強倍數如圖5所示。從圖中可以看出，相比于實施例1，光敏元件II中的球形銀納米顆粒也能在波長大于1200nm的光照條件下增強半導體有源層的光電流強度，然而，其增強效果不如光敏元件I的亞微米顆粒層好。
[0041]實施例3
[0042]制備光敏元件III，光敏元件III的結構和實施例1的光敏元件I的結構基本相同。不同之處在于，光敏元件III中納米孔陣列層的上方層疊的是粒徑為200nm的球形銀納米顆粒層，而不是亞微米銀顆粒層。
[0043]將波長為700nm?1600nm光線從球形銀納米顆粒層一側照射到光敏元件III上，得到的光電流的增強倍數如圖5所示，從圖中可以看出，相比于實施例1，光敏元件III中的球形銀納米顆粒也能在波長大于950nm的光照條件下增強半導體有源層的光電流強度，然而，其增強效果不如光敏元件I的亞微米顆粒層好。
[0044]實施例4
[0045]制備光敏元件IV，光敏元件IV和光敏元件I的結構基本相同，其不同之處在于，光敏元件IV沒有亞微米顆粒層。
[0046]將波長為700nm?1600nm光線從納米孔陣列層的一側照射到光敏元件IV上，光線經過納米孔陣列層的納米孔后照射到半導體有源層表面。光敏元件IV的光電流的增強倍數如圖6所示，從圖中可以看出，光敏元件IV由于沒有亞微米顆粒層，雖然納米孔陣列層也能增加半導體有源層的光電流強度，但是光敏元件IV在波長大于1200nm的光照條件下光電流增強效果明顯比光敏元件I弱。
[0047]實施例5
[0048]制備光敏元件V，光敏元件V包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極。其中半導體有源層的材料為硅。納米孔陣列層的納米孔的孔徑300nm，納米孔陣列層的厚度為lOOnm，相鄰的納米孔之間的距離為lOOnm。納米孔陣列層的材料為金。亞微米顆粒層的亞微米顆粒包括粒徑為300nm的中心納米顆粒和凸出于中心納米顆粒表面上的18顆粒徑為150nm的周圍納米顆粒，亞微米顆粒層的材料為金。陽極和陰極的材料均為金。
[0049]將波長為700nm?1600nm光線從亞微米顆粒層一側照射到光敏元件V上。光敏元件V在波長大于1200nm的光照條件下有效增強了半導體有源層的光電流強度。
[0050]實施例6
[0051]制備光敏元件VI，光敏元件VI包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極。其中半導體有源層的材料為硅。納米孔陣列層的納米孔的孔徑400nm，納米孔陣列層的厚度為80nm，相鄰的納米孔之間的距離為200nm。納米孔陣列層的材料為金。亞微米顆粒層的亞微米顆粒包括粒徑為400nm的中心納米顆粒和凸出于中心納米顆粒表面上的26顆粒徑為10nm的周圍納米顆粒，亞微米顆粒層的材料為銅。陽極的材料為鉑，陰極的材料為鉑。
[0052]將波長為700nm?1600nm光線從亞微米顆粒層一側照射到光敏元件VI上。光敏元件VI在波長大于1200nm的光照條件下有效增強了半導體有源層的光電流強度。
[0053]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種光敏元件，其特征在于，包括半導體有源層、納米孔陣列層、亞微米顆粒層、陽極和陰極，所述納米孔陣列層設有貫穿所述納米孔陣列層的納米孔，所述納米孔沿所述納米孔陣列層的厚度方向延伸，所述半導體有源層、所述納米孔陣列層和所述亞微米顆粒層依次層疊，所述納米孔陣列層和所述亞微米顆粒層的兩端對齊，所述陽極和所述陰極均位于所述半導體有源層上，且所述陽極和所述陰極分別位于所述納米孔陣列層和亞微米顆粒層的兩端。
2.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述半導體有源層的材料為硅、鍺或銦嫁砷至少一種。
3.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述納米孔陣列層的材料為金、銀或銅。
4.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述納米孔陣列層的所述納米孔的孔徑為300nm?400nm，相鄰的所述納米孔之間的距離為0.lnm?200nm，所述納米孔陣列層的厚度為50nm?100nmo
5.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述納米孔陣列層的所述納米孔的孔徑為350nm。
6.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述亞微米顆粒層的材料可以為金、銀或銅。
7.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述亞微米顆粒層的亞微米顆粒包括中心納米顆粒和凸出于所述中心納米顆粒表面的多顆周圍納米顆粒。
8.如權利要求7所述的光敏元件，其特征在于，所述中心納米顆粒的粒徑為200nm?400nm，所述周圍納米顆粒的粒徑為lOOnm?150nm。
9.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述亞微米顆粒層的亞微米顆粒的粒徑為 300nm ?550nm。
10.如權利要求1所述的光敏元件，其特征在于，所述陽極的材料為金、銀、銅或鉑，所述陰極的材料為金、銀、銅或鉑。
【文檔編號】H01L31/101GK104485382SQ201410796003
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】陳平, 盧亞賓, 李星, 趙東旭, 林列 申請人:南開大學