CN115810680B - 一种局域场增强的光电导型高速光电探测器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种局域场增强的光电导型高速光电探测器

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***的关键器件。例如，在光纤通信***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。

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；

所述双层金属光栅电极与所述下金属电极形成垂直结构电极，与半导体同侧排布的电极相比，垂直排布使得外置偏压形成的电场更加均匀分布，光生载流子输运可以由数微米缩短至百纳米，因此提高了载流子输运效率；

所述双层金属光栅电极与所述下金属电极构成F-P谐振腔，根据谐振腔原理，调控腔长，可增强某一波段的电磁波在半导体材料层内的吸收，但受限于工艺难以精准控制腔长，我们在结构设计时，将F-P谐振腔与上述表面等离激元效应耦合，进一步提高半导体材料层的光吸收，同时保持光吸收高效且稳定，克服了传统F-P谐振腔由于腔长难以精确调控所带来的光吸收的不稳定性。因而，可以实现提高光续收效率的同时，提高载流子输运效率。

可选择的，还具有增透层，所述增透层位于探测器上表面，用于增加入射光的透射；所述的增透层材料可为TiO₂、SiN_x、SiO₂、ITO、IZO等对入射光无吸收的介质材料；

当泵浦光入射至探测器表面时，所述增透层能够增加光的透射，所述双层金属光栅电极与所述下金属电极进行光耦合，能够显著增强局部电场强度，附图4为半导体材料层的光吸收，以入射光波长1550纳米为例，经过对结构尺寸的设计可达到80％，同时在1500纳米至1600纳米波长间的吸收保持在60％以上。

所述结构的创新点1在于，将表面等离激元效应与F-P谐振腔结合起来，将表面等离激元效应的局域场增强效果与F-P谐振腔的谐振增强效果耦合，能够达到稳定且高效的光吸收效率，同时，场增强效果作用于金属电极之间的电场，进一步增强载流子的输运。创新点2在于提出具有垂直结构微纳米电极的光电导探测器及其工作原理，利用双层金属光栅电极作为上电极，下金属电极作为下电极，增加光吸收的同时提升电流的分布均匀性，另外，电极的设计还有利于降低源阻抗，降低阻抗匹配难度。

根据本发明实施例，提供一种基于表面等离激元的光电导型高速探测器的制备方法，包括：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积或分子束外延方法在临时衬底上生长外延层，其中外延层材料可以为GaAs、AlAs、InAs、InGaAs、AlGaAs、InGaAsP等其中的一种或几种，在所述外延层上形成第一金属层，厚度为100～400纳米，其中第一金属层材料可用Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等材料中的一种或几种，用于和外延层形成欧姆接触，第一金属层与衬底之间欧姆接触可以采用退火工艺来降低两者的接触电阻；

步骤二：对上述结构进行光刻及刻蚀，形成分立结构，因而得到了临时衬底上图形化的半导体外延层，所述图形化的半导体外延层上表面为图形化的第一金属层；

步骤三：在最终衬底上形成图形化的第二金属层，所述第二金属层厚度为100～400纳米，材料可用Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等材料中的一种或几种；所述最终衬底可以为Si，Cu，SOI、Ni，GaAs，InP等较高热导率金属或半导体材料的一种或几种组合；可选择地，所述最终衬底上形成绝缘层；所述图形化的第二金属层面积大于第一金属层面积；可选择的，第二金属层为圆形；

步骤四：通过对准键合将图形化的第一金属层和图形化的第二金属层键合在一起，键合在一起的图形化的第一金属和第二金属层用于高速探测器的下金属电极3，同时作为FP腔的下反射镜；并刻蚀去除临时衬底，图形化的半导体外延层结构转移至最终衬底上；

步骤五：可选择的，在图形化的半导体外延层结构侧壁形成钝化保护层，其中保护层材料可为SiO₂、Al₂O₃或Si₃N₄等绝缘材料；

步骤六：在图形化的半导体外延层表面形成纳米结构。其中，可选的，利用聚焦离子束刻蚀形成半导体纳米结构；可选的，利用电子束曝光结合刻蚀形成半导体纳米结构；可选的，所述半导体纳米结构为一维半导体光栅；可选的，所述半导体纳米结构为二维半导体光栅；

步骤七：在所述半导体纳米结构表面垂直蒸镀金属，形成双层金属光栅电极，其中金属光栅电极材料可用Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等材料中的一种或几种；

步骤八：光刻及蒸镀金属，形成圆环电极与双层金属光栅电极接触，形成电连接，同时形成共面波导电极，用于后续封装焊线。可选择的，进行光刻和区域电镀增加接触电极厚度；可选择的，制备增透膜，所述的增透层材料可为TiO₂、SiN_x、SiO₂、ITO、IZO等对入射光无吸收的介质材料。

本发明专利的优点是：

1.本发明提出了场局域增强原理，利用双层金属光栅电极的等离激元模式与F-P谐振腔之间模式耦合，形成高的局域场增强从而提高半导体材料光吸收；同时，双层金属光栅电极的等离激元模式与F-P谐振腔之间模式耦合，减少了器件对于下半导体层厚度的敏感性，降低器件制备难度；

2.本发明提出了可以垂直导电的光电导型探测器结构，上方的双层金属光栅电极与下金属电极形成垂直结构的正负电极，与半导体同侧排布的电极相比，垂直排布使得外置偏压形成的电场更加均匀分布；垂直结构使载流子在垂直方向输运，大大缩短了载流子的输运距离，提高载流子输运效率，光生载流子的输运可以由数微米缩短至百纳米，从而提高载流子渡越时间，进而提高探测器的响应速度。本发明的场局域增强原理与垂直导电结构的设计，在提高光吸收效率的同时，提高了载流子输运效率，进而提高探测器的响应度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例提出的一种光电导型高速探测器结构的切面示意图。

图2是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中一个单元结构的切面示意图。

图3是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的俯视图。

图4是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中的单元结构的半导体材料层光功率吸收曲线图。

图5是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中的单元结构的光反射率示意图。

图6是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中的单元结构的电场增强示意图。

图7是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中的单元结构在1200纳米-2000纳米波段以及不同下半导体层厚度的光吸收示意图。

图中的附图标记有：

1：所述光电导型高速探测器结构的增透层；2：所述光电导型高速探测器结构的下半导体层；3：所述光电导型高速探测器结构的下金属电极；4：所述光电导型高速探测器结构的衬底；5、6：所述光电导型高速探测器结构的双层金属光栅电极，其中5是双层金属光栅电极的上层金属光栅电极，6是双层金属光栅电极的下层金属光栅电极；7：所述光电导型高速探测器结构的上半导体光栅。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以有许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

图1是根据一示例性实施例提出的一种光电导型高速探测器结构的切面示意图。参考图1，本发明实施例提供一种光电导型高速探测器结构，包括：所述光电导型高速探测器结构的增透层1，所述光电导型高速探测器结构的下半导体层2，所述光电导型高速探测器结构的下金属电极3，所述光电导型高速探测器结构的衬底4，所述光电导型高速探测器结构的双层金属光栅电极5、6。所述光电导型高速探测器结构的增透层1置于双层金属光栅电极5、6之上，用于增加入射光的透射并减少反射，下半导体层2置于下金属电极3以及双层金属光栅电极5、6之间，上半导体光栅7置于双层金属光栅电极5、6之间及下半导体层2之上，入射光被吸收后将在下半导体层2与上半导体光栅7内部产生光生载流子，在外加偏置电压的作用下载流子进行漂移运动从而产生瞬态光电流。图2是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构中一个单元结构示意图。图4是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构中的衬底材料的光功率吸收曲线图。图5是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构中的光反射率曲线图。图6是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构内部电场增强示意图。结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7对本公开中的光电导型高速光电探测器结构进行说明。

由上述实施例可知，本发明采用基于表面等离激元效应的双层金属光栅电极结构与上下金属电极的F-P谐振腔相结合进行设计，极大程度提高了对入射光的吸收以及局部电场的增强，进而达到了提高探测器转换效率的效果。

本实施例中，半导体材料使用铟镓砷(InGaAs)、砷化镓(GaAs),根据半导体理论，当注入半导体材料的光子能量超过其禁带宽度的时候，就会产生光生载流子，在外加偏置电压的作用下光生载流子进行漂移运动，从而形成高速的光电流。铟镓砷和砷化镓等半导体材料具有耐压性好，开关速度高，电子迁移速率高、载流子寿命短等特点，作为光电导型高速光电探测器的组成部分，稳定性好，可靠性强。

本实施例中，图2是根据一示例性实施例提出的表面光栅结构中的一个单元结构示意图。

具体地，所设计的探测器的响应波长为1550纳米附近。相邻两个表面光栅结构的距离为亚波长尺度，可为a＝200-800纳米，所述的衬底厚度b通常大于50微米，所述的下电极厚度可为c＝100-400纳米，所述的下半导体层的厚度可为d＝200-2000纳米，所述的上半导体光栅高度可为h1＝80-300纳米，宽度可为w＝100-500纳米，所述的上层金属光栅电极高度可为h2＝20-100纳米，所述的下层金属光栅电极高度可为p＝20-100纳米，所述的增透层的厚度可为g＝250-650纳米。

优选地，所用的半导体材料为InGaAs，所用的电极材料为Au，所用的衬底材料为Si，所用的增透层材料为Si₃N₄，所述参数中a＝450纳米，c＝200纳米，d＝400纳米，h1＝100纳米，h2＝50纳米，p＝50纳米，g＝300纳米，w＝130纳米，仿真测试波长选择lambda＝1200-2000纳米波段。

图4是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构的半导体材料层的光功率吸收曲线图。在确定好单元结构的尺寸以及入射光波长后，对所述光电导型高速探测器结构的一个单元结构的光吸收进行仿真，半导体材料层的光吸收如图4所示，由图示可得在1550纳米波段附近，结构整体吸收接近100％，半导体材料层的光吸收达到80％左右，从而能够极大程度提高器件转换效率。

图5是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构的光反射率示意图。在所述结构顶部设置监视器监测该结构的光反射率，由图示可得在1550纳米波段附近该结构的光反射较小约为5％左右，大部分光被限制在该结构之中，极大程度提高了探测器的对于入射光的吸收。

图6是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构的切面电场增强示意图。在所述结构中，根据表面等离激元理论，当光波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强。由图示可得在双层金属光栅电极之间有着明显的电场增强。

图7是是根据一示例性实施例提出的光电导型高速探测器结构的单元结构的在不同下半导体层厚度的条件下在1200纳米到2000纳米波段之间的光吸收示意图。将F-P谐振腔与双层金属光栅电极形成的表面等离激元耦合，可以将所述结构的光吸收集中在特定的波段附近，由图可见所述结构的光吸收基本集中在1550纳米波段附近，并且在下半导体层厚度达200纳米以上之后，材料的厚度对结构本身的光吸收效率影响不明显，显著降低了器件结构对于半导体材料层厚度的敏感性。

根据以上的光电导型高速探测器结构的光吸收曲线图、切面电场增强示意图以及不同半导体材料层厚度结构的光吸收示意图的分析之后，设计的结构从结果中可以看出，极大地提高了光的吸收以及电场的增强作用，达到提高探测器转换效率的技术效果。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，其特征在于，所述光电导型高速探测器包括：

衬底、下半导体层、增透层，下金属电极，双层金属光栅电极，上半导体光栅；

所述下半导体层，下金属电极，双层金属光栅电极，增透层，上半导体光栅均设置在所述衬底之上，且下半导体层位于下金属电极与双层金属光栅电极之间；

所述上半导体光栅设置在所述下半导体层与双层金属光栅电极之间；

所述双层金属光栅电极与所述下金属电极构成F-P型谐振腔，与所述双层金属光栅电极产生的表面等离激元效应相耦合，将场分布局域在半导体内部；

所述基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，包括以下工艺步骤：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积或分子束外延方法在临时衬底上生长外延层；在所述外延层上形成第一金属层，用于和外延层形成欧姆接触；

步骤二：对步骤一形成的结构进行光刻及刻蚀，形成分立结构，得到临时衬底上图形化的半导体外延层，所述图形化的半导体外延层上表面为图形化的第一金属层；

步骤三：在最终衬底上形成图形化的第二金属层，所述图形化的第二金属层面积大于第一金属层面积；所述图形化的第二金属层的形态为圆形；

步骤四：通过对准键合将图形化的第一金属层和图形化的第二金属层键合在一起；并刻蚀去除临时衬底，图形化的半导体外延层结构转移至最终衬底上；

其中，键合在一起的图形化的第一金属和第二金属层用于高速探测器的下金属电极，同时作为FP腔的下反射镜；

步骤五：在图形化的半导体外延层表面形成纳米结构；其中，利用聚焦离子束刻蚀形成半导体纳米结构；或利用电子束曝光结合刻蚀形成半导体纳米结构；所述半导体纳米结构为一维半导体光栅或为二维半导体光栅；

步骤六：在步骤五形成的半导体纳米结构表面垂直蒸镀金属；

步骤七：光刻及蒸镀金属形成圆环电极与双层金属光栅电极接触，形成电连接；同时形成共面波导电极，用于后续封装焊线。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，其特征在于：

所述双层金属光栅电极与所述下半导体层和上半导体光栅形成欧姆接触，当入射电磁波与双层金属光栅电极相互作用时，金属产生的表面等离激元局域场效应，在上半导体光栅内部产生增强的局域电场，增加半导体对入射光的吸收效率。

3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，其特征在于：

所述双层金属光栅电极通过外侧环形电极进行电连接，并且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。

4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，其特征在于：

所述下半导体层与上半导体光栅的材质为GaAs、AlAs、InAs、InGaAs、AlGaAs、InGaAsP其中之一或多个的合金。

5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元增强的光电导型高速探测器的制备方法，其特征在于：还具有增透层，所述增透层置于双层金属光栅电极之上。