DE102019111465A1

DE102019111465A1 - Photodetektor

Info

Publication number: DE102019111465A1
Application number: DE102019111465.9A
Authority: DE
Inventors: Ching-Fuh Lin; Hung-Chieh Chuang; Meng-Jie Lin; Po-Jui Huang
Original assignee: National Taiwan University NTU
Current assignee: National Taiwan University NTU
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2019-12-12
Also published as: TWI686936B; CN110491956B; US10734539B2; US20190348564A1; CN110491956A; SG10201909988YA; TW201947749A

Abstract

Ein Photodetektor weist einen Metall-Halbleiter-Übergang zur Messung der Infrarotstrahlung auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Photodetektor aus Strukturen, um die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche an dem mit dem einfallenden Licht stimulierten Metall-Halbleiter-Übergang zu erreichen. Der Photodetektor weist daher die prompte Reaktion und den Breitbandspektralbereich für die Photonendetektion auf. Der Photodetektor kann zum Erkennen der verschiedenen Leistungen des einfallenden Lichts mit einer Wellenlänge vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich (300 nm - 20 µm) verwendet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Umfeld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor mit einer prompten Reaktion und einem Breitbandspektralbereich, die für die Photonendetektion von großem Vorteil sind.
Beschreibung der bekannten Ausführungsart
1938 schlug W.H. Schottky vor, dass mit einem Metall-Halbleiter-Übergang eine potenzielle Barriere nach einem thermischen Gleichgewicht, d.h. die Schottky-Barriere oder der Schottky-Übergang, erzeugt wird. Die 1A zeigt, dass ein p-Halbleiter als ein Beispiel verwendet wird, in dem der Hauptträger ein Loch (h+) ist und jedes Metall sowie der Halbleiter über ein eigenes Energieband, Fermi-Niveau und eine Energielücke verfügen, bevor sie in Kontakt kommen. Dabei muss die Arbeitsfunktion (qϕ_m) des Metalls niedriger als die Arbeitsfunktion (qϕ_s) des Halbleiters sein. Die Arbeitsfunktion ist als die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und dem Vakuumniveau E_vac definiert. Die Elektronenaffinität qχ des Halbleiters entspricht der Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband E_c und dem Halbleiter mit dem Vakuumniveau E_vac .
Die 1B zeigt, dass das Femi-Niveau des Halbleiters niedriger als das Femi-Niveau des Metalls ist, nachdem das Metall mit dem Halbleiter in Kontakt gekommen ist. Nach dem thermischen Gleichgewicht mündet das Loch im p-Halbleiter in das Metall, wobei die negative Ladung im Halbleiter verbleibt. Eine Raumladung wird auf beiden Seiten des Metall-Halbleiter-Übergangs gebildet, wobei ein integriertes elektrisches Feld V_bi erzeugt wird. Falls das Hauptträger-Loch (h^-+) im p-Halbleiter vom Halbleiter in das Metall münden muss, muss das integrierte elektrische Feld V_bi an der Verbindungsstelle überstiegen werden. Beim Anlegen einer Vorspannung, so dass der Träger das integrierte elektrische Feld übersteigen kann, wird die Vorspannung als Einschaltspannung bezeichnet. Falls das Loch vom Metall in den Halbleiter münden muss, muss die Schottky-Barriere an der Verbindungsstelle überstiegen werden. Diese Art des biegenden Energiebands oder der Energiebarriere, mit der der Träger am Bewegen gehindert wird, wird als Schottky-Übergang bezeichnet.
Nach der Theorie des Metall-Halbleiter-Übergangs muss ein p-Halbleiter einem Metall mit einer großen Arbeitsfunktion entsprechen, während ein n-Halbleiter einem Metall mit einer geringen Arbeitsfunktion entsprechen muss, um einen Schottky-Übergang zu bilden. Dabei kann die Höhe der Schottky-Barriere mit der IV-Kurve oder der CV-Kurve eingeschätzt werden.
1959 fanden HY Fan und AK Ramdas et al. heraus, dass die Elektronen oder Löcher, die ursprünglich in der Wertigkeit des Halbleiterbands vorhanden sind, mit den Einfallsphotonen erregt werden und zum Leitungsband springen, um ein Elektron-Loch-Paar oder einen heißen Träger zu bilden, nachdem ein Halbleiter mit Licht bestrahlt wird, wobei dieser Mechanismus als mittlere Bandlückenabsorption (MBA) bezeichnet wird. Um ein Elektron-Loch-Paar mit dem einfallenden Licht zu erregen muss die Energie des Einfallsphotonen größer als die Energielücke des Halbleiters sein, damit der Träger ausreichend Energie erhalten kann, um die Energielücke des Halbleiter zu übersteigen und einen Photostrom zu erzeugen. Gegenwärtig wird dieser Mechanismus der mittleren Bandlückenabsorption durch die Photodetektoren häufig verwendet.
Die gegenwärtigen Infrarotsensoren verwenden meistens Halbleiter mit geringen Energielücken, wie beispielsweise III-V oder Ge als aktive Schicht oder als Erkennungs-Absorbermaterial, um das Infrarotlicht mit geringer Photonenenergie zu erkennen. Selbst wenn die vorhandenen III-V- oder Ge-Detektoren in deren Herstellvorgang gut eingeführt wurden sind diese Materialien kostspieliger als andere Materialien, wobei dieser Vorgang zahlreiche komplexe und kostspielige epitaktische Geräte erfordert. Das Detektionsprinzip solcher Geräte ist meistens die mittlere Bandlückenabsorption (MBA). Die Träger im Halbleiter werden durch das einfallende Licht erregt und übersteigen die Bandlücke des Halbleiters, um Photoströme zu erzeugen. Um daher die Detektionseffizienz oder die Ansprechempfindlichkeit des Geräts zu verbessern müssen solche Komponenten häufig komplexe, mehrere Quantentöpfe (MQWs) oder mehrere Quantenpunkte (MQDs) in der aktiven Schicht enthalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem generellen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Photodetektor, insbesondere einen Breitband-Photodetektor.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht ein Photodetektor aus einem Halbleiter, einer ohmschen Kontaktelektrode und einer Metallelektrode, wobei der Halbleiter eine oder mehr induzierende Mikro- oder Nano-Strukturen der Plasmonen-Resonanz umfasst. Die ohmsche Kontaktelektrode bildet einen ohmschen Kontakt mit einer ersten Oberfläche des Halbleiters. Die Metallelektrode bildet mit der Oberfläche der induzierenden Strukturen der Plasmonen-Resonanz einen Schottky-Kontakt. Die Träger in der Metallelektrode werden durch das einfallende Licht erregt, um Elektron-Loch-Paare oder heiße Träger zum Überqueren einer Schottky-Barriere zwischen einer Verbindungsstelle der Metallelektrode und dem Halbleiter zu bilden und somit einen Photostrom zu erzeugen. Dabei wird mit dem einfallenden Licht eine lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) auf der Oberfläche der induzierenden Strukturen der Plasmonen-Resonanz induziert, wobei beim Übertragen der durch LSPR erzeugten Welle des Plasmonenzerfalls an den Schottky-Übergang eine große Anzahl von heißen Trägern mit dem starken Nahfeld erregt wird, um die Reaktion des Photodetektors zu fördern. Die induzierenden Strukturen der Plasmonen-Resonanz enthalten zum Induzieren des LSPRs periodische Strukturen, wobei die Lichtabsorption erhöht und die Reaktion des Photodetektors optimiert wird.
Figurenliste

1A zeigt das Energieband, bevor das Metall mit dem Halbleiter in Kontakt kommt.
1B zeigt das Energieband, nachdem das Metall mit dem Halbleiter in Kontakt gekommen ist.
2 zeigt einen Photodetektor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 stellt die IV-Messungen des Photodetektors dar, wobei Gold und Platin als ohmsche Kontaktelektroden verwendet werden.
4 stellt den Dunkelstrom und den Photostrom eines Photodetektors aus verdampftem Kupfer nach der Ablagerung des Platins dar.
5 stellt die Reaktion des Photostroms einer Kupfer/p-Siliziumkomponente unter einer sichtbaren Lichteinstrahlung dar und die mit einem Solarsimulator gemessen wird.
6 stellt die Reaktion des Photostroms des Photodetektors dar, der mit 0 Vorspannung betrieben wird.
7 stellt die Absorptionsspektren eines Kupfer/p-Silizium-Photodetektors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
8 stellt die Reaktion des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung für das Licht in verschiedenen Wellenlängen dar.
9A zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen eines Photodetektors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9B zeigt eine Querschnittansicht zum Darstellen einer der periodischen Microarray-Nanostrukturen des Photodetektors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 stellt eine Herstellmethode des Photodetektors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
11 zeigt eine SEM-Photographie einer Draufsicht und eine Querschnittansicht zum Darstellen der umgekehrten Pyramidenstruktur (IPS) nach dem Ätzen während 20 Minuten in der KOH-Lösung.
12 stellt das Verhältnis zwischen der Linienbreite und der Ätzzeit der umgekehrten Pyramidenstruktur (IPS) dar.
13 zeigt die durch die Anwendung der Finite-Elemente-Methode simulierte umgekehrte Pyramidenstruktur (IPS).
14 stellt die Simulationsergebnisse der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche des IPS dar, wo die einfallenden Lichter mit verschiedenen Wellenlängen senkrecht auf das Metall des IPS-Photodetektors einfallen.
15 stellt das Verhältnis zwischen der Intensität der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) und der Länge der Hohlraumwand des in der 13 gezeigten IPS für die einfallenden Lichter mit verschiedenen Wellenlängen dar.
16 stellt das Verhältnis zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Länge der Hohlraumwand des durch den LSPR über verschiedene Resonanzmoden induzierten IPS dar.
17 stellt die Absorptionsspektren einer Vergleichsstichprobe und des Photodetektors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
18 stellt die Dunkelstrom-IV-Messungen des planaren und IPS-Kupfer/p-Schottky-Photodetektors nach dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
19 stellt die lichtelektrischen Reaktionen dar, die mit Infrarotlichtem mit verschiedenen Wellenlängen, die auf den planaren bzw. IPS-Photodetektor einfallen, bemessen werden.
20 zeigt den Photodetektor nach dem zweiten Ausführunsgbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei nach dem Kollidieren einer der Teile des heißen Trägers miteinander diese eine Energie erlangen, die die Schottky-Barriere übersteigt und die Energiebarriere überqueren, um einen thermischen Strom zu erzeugen.
21 stellt die Reaktion des Photodetektors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, der mit einem IR-Laser mit 1550 nm mit verschiedenen Intensitäten des einfallenden Lichts und mit Vorspannung-Spannungen betrieben wird.
22 zeigt eine Tabelle zum Darstellen des Verhältnisses zwischen der Reaktion und den einfallenden Intensitäten des Photodetektors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
23 zeigt eine SEM-Photographie zum Darstellen der dreidimensionalen aufrechten Pyramidenstrukturen, die nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt werden.
24 stellt einen Schottky-Kontakt dar, der durch Auftragen eines Nano-Silberfilms auf ein planares Siliziumsubstrat nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
25 stellt eine in der 24 gezeigte Reaktion dar, bei der die Lichter in verschiedenen Richtungen auf den Schottky-Kontakt einfallen.
26 stellt eine durch die Anwendung der Finite-Elemente-Methode simulierte umgekehrte Pyramidenstruktur (IPS) dar, bei der das Licht so verändert wird, dass dieses vom Siliziumsubstrat auf den Schottky-Kontakt einfällt.
27 stellt die Simulationsergebnisse der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche dar, bei der das einfallende Licht mit verschiedenen Wellenlängen senkrecht auf das Metall der aufrechten Pyramidenstrukturen (UPS) einfällt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Photodetektors mit einem Metall-Halbleiter-Übergang. Mit dem Photodetektor kann das Licht mit einer Energie erkannt werden, die niedriger als die Energielücke des Halbleiters ist, wobei ein Photostrom nur unter der Bedingung erzeugt werden kann, dass die Energie des einfallenden Lichts die Schottky-Barriere gerade leicht übersteigt.
Die 2 zeigt einen Photodetektor 1 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 2 zeigt, dass der Photodetektor 1 aus einem Halbleiter 10, einer ohmschen Kontaktelektrode 12 und einer Metallelektrode 14 besteht. Die Metallelektrode 14 kann aus einer Schottky-Kontaktelektrode 141 und einer Gitterelektrode 142 bestehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiter 10 ein p-Silizium, während die ohmsche Kontaktelektrode 12 aus Platin und die Metallelektrode 14 aus Chrom besteht. In manchen Ausführungsbeispielen kann die ohmsche Kontaktelektrode 12 aus Gold oder Silber bestehen, während die Metallelektrode 14 aus Kupfer besteht.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiter 10 ein (100) doppelseitig polierter p-Siliziumwafer mit einem Widerstand von 5-10 Ω-cm und einer Dicke von 380-420 µm. Zuerst wird der Siliziumwafer mit einem Diamantstift in ein 2,5×2,5 cm²-Siliziumsubstrat 10 geschnitten. Danach wird das Siliziumsubstrat der Reihe nach in Aceton, Isopropanol (IPA), deionisiertes Wasser (DI-Wasser) und Methanol eingetaucht und 15 Minuten mit einem Ultraschallreinigungsgerät gewaschen, um Organismen und Partikel auf der Oberfläche zu entfernen.
Danach wird eine Piranha-Lösung mit einem Volumenverhältnis der Schwefelsäure (H₂SO₄) zu Wasserstoffperoxid (H₂O₂) von 4:1 präpariert. Zuerst wird dabei die Schwefelsäure in eine Glasschale geschüttet, wonach das Wasserstoffperoxid langsam in die Glasschale beigegeben und die Lösung auf 120°C erhitzt wird. Nachdem das während dem Mischen entstandene Gas verflüchtigt ist wird das Siliziumsubstrat 10 10 Minuten in die Lösung eingetaucht. In diesem Schritt entsteht ein dünner Oxidfilm auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 10, um Verschmutzungen auf der Oberfläche vom Substrat zu isolieren. Danach wird das Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 mit einer gepufferten Oxidätzlösung (BOE) entfernt. Das Siliziumsubstrat 10 wird zuletzt mit deionisiertem Wasser (DI-Wasser) gespült und mit Stickstoff getrocknet, um so den Reinigungsvorgang abzuschließen.
Nach dem Reinigen wird das Siliziumsubstrat 10 in ein Verdunstungssystem des Elektronenstrahls (ULVAC) gestellt, während eine Metallelektrode 14 unter einem Druck von 4×10^-6 torr abgelegt wird. Zuerst wird ein Chrom-Nanofilm mit einer Dicke von 10-20 nm auf die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 als eine Schottky-Kontaktelektrode 141 aufgetragen, wobei die Ablagerungsrate 0,1 Angstrom (Å) pro Sekunde beträgt. Eine metallische Lochmaske wird danach auf den Chrom-Nanofilm aufgelegt, um einen Cr-Metallraster 142 mit einer Dicke von 120 nm auf den Chrom-Nanofilm mit einer Ablagerungsrate von 0,1 Angstrom (Ä)-10 nm pro Sekunde, 0,3 Angstrom (Å)-30 nm pro Sekunde und 0,5 Angstrom (Å)-50 nm pro Sekunde sowie 1 Angstrom (Ä)-100 nm pro Sekunde aufzulegen. Schließlich wird ein Platinfilm mit einer Dicke von 100 nm auf die Unterseite des p-Siliziumsubstrats als ohmsche Kontaktelektrode 12 aufgetragen, wobei die Ablagerungsrate dieselbe wie jene der Chrom-Gitterelektrode ist. Die 2 zeigt, dass der Photodetektor 1 danach fertiggestellt ist. Danach wird der hergestellte Photodetektor 1 einer IV-Kurve des Photostroms und des Dunkelstroms unterworfen. Die Labview-Messsoftware wird zusammen mit einem Keithley 2400-Source-Meter für die Messung in einem dunklen Kästchen mit einem 2 mW-Infrarotlaser mit 1550 nm (Thorlab:LDC1300B-Modell) als Lichtquelle verwendet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die ohmsche Kontaktelektrode 14 aus Gold angefertigt (durch die Verwendung von Platin, mit dem ein ohmscher Kontakt mit dem P-Silizium gebildet wird, weist der Photodetektor eine bessere Vorwärts-Vorspannung auf), während die übrigen Elemente aus demselben Material wie im vorherigen Ausführungsbeispiel bestehen. Die 3 zeigt die IV-Messungen des Photodetektors mit Gold bzw. Platin als ohmsche Kontaktelektroden 14. Die 3 zeigt, dass der Photodetektor Platin als ohmsche Kontaktelektrode 12 verwendet wird, da diese eine bessere Gleichrichtleistung aufweist. Damit wird in der Vorwärts-Vorspannung ein großer Strom erzeugt, während in der Rückwärts-Vorspannung ein niedriger Ableitstrom vorhanden ist. Die Einschaltspannung beträgt nur ungefähr 0,3 V, was die Merkmale der Standard-Schottky-Diode zeigt.
Die 2 zeigt, dass die Metallelektrode 14 aus einer Schottky-Kontaktelektrode 141 aus Chrom mit einer Dicke von 10-20 nm und einer Gitterelektrode 142 aus Chrom mit einer Dicke von 120 nm bestehen kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Photodetektor aus Schottky-Kontaktelektroden 141 aus Chrom mit einer Dicke von 10 nm und 20 nm, die separat angefertigt wurden, wobei deren Leistungen verglichen wurden. Drei Dunkelströme und drei Photoströme wurden für jede Komponente gemessen. Die Messergebnisse zeigen, dass die Schottky-Kontaktelektrode 141 mit der geringeren Dicke von 10 nm das einfallende Licht begünstigt, um in den aktiven Bereich des Photodetektors einzudringen und dadurch die Reaktion des Photodetektors zu verstärken.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestehen der Halbleiter 10, die ohmsche Kontaktelektrode 12 und die Metallelektrode 14 aus p-Silizium, Platin bzw. Kupfer. Der Photodetektor wird mit demselben beschriebenen Vorgang angefertigt, während die Metallelektrode 14 aus einer Schottky-Kontaktelektrode 141 aus Kupfer mit einer Dicke von 10 nm und einer Chrom-Gitterelektrode 142 mit einer Dicke von 120 nm besteht. Um weiter den Einfluss der hohen Temperatur auf den Kupfer-Nanofilm während der Platinablagerung zu vermeiden wurde die Reihenfolge der Ablagerung so abgeändert, dass der Kupfer zuerst abgelagert wird, wonach die Platinablagerung erfolgt. Die 4 stellt den Dunkelstrom und Photostrom dieses Photodetektors dar. Die Leistung des Photodetektors aus Kupfer/p-Silizium ist ähnlicher mit jene der Standard-Schottky-Diode, während der erzeugte Photodetektor bessere Gleichrichtmerkmale und ebenfalls eine geringe Einschaltspannung aufweist. Der Photodetektor erzeugt im Betrieb im Bereich der Vorwärts-Vorspannung einen großen Strom, während im Betrieb in einem Bereich der Rückwärts-Vorspannung eine niedrigere Rückwärts-Vorspannung beibehalten wird. Dementsprechend kann das Problem des Ableitstroms, der im Bereich der Rückwärts-Vorspannung erzeugt wird, durch das Ändern der Reihenfolge der Ablagerung gelöst werden.
Im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schottky-Barriere an der Verbindungsstelle des Gold-Halbleiters gebildet, damit die Träger nur in einer bestimmten Richtung fließen, um eine Gleichrichtung zu bilden. Der in der vorliegenden Erfindung verwendete p-Siliziumwafer wurde theoretisch mit einem Fermi-Niveau E_F=-4,952 eV berechnet, wobei Chrom (-4,5 eV) oder Kupfer (-4,65 eV) als die Metallelektrode ausgewählt wurden. Die mit dem Chrom/p-Silizium gebildete Schottky-Barriere beträgt ungefähr 0,67 eV, während deren gemessene Cut-off-Wellenlänge ungefähr 1850 nm innerhalb des nahen Infrarotbereichs beträgt. Die mit dem Kupfer/p-Silizium gebildete Schottky-Barriere beträgt ungefähr 0,52 eV, wobei deren Cut-off-Wellenlänge ungefähr 2384 nm beträgt.
Die 5 zeigt, dass der Photostrom des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors, der unter der Beleuchtung mit sichtbarem Licht von einem Solarsimulator (Atom-Solarsimulator, Sun 2000) gemessen wurde. Der Dunkelstrom des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors zeigt dieselben Gleichrichtmerkmale als Standard-Schottky-Diode. Beim Bestrahlen mit Sonnenlicht besteht zwischen dem Photostrom und dem Dunkelstrom in den Bereichen der Vorwärts- oder Rückwärts-Vorspannung eine deutliche Strom-Differenz. Insbesondere im Bereich der umgekehrten Vorspannung erzeugt der Photodetektor 1 einen Photostrom von ungefähr 40 mA nach der Beleuchtung.
Die 6 zeigt, dass der Kupfer/p-Silizium-Photodetektor beim Betrieb des Photodetektors mit einer Vorspannung von 0 ebenfalls eine erkennbare Photostromreaktion aufweist. Selbst wenn die Reaktion nicht so gross wie im Bereich von -2, -1, 1 oder 2 V ist zeigt die Reaktion des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors eine ausgezeichnete Stabilität, wobei die Variation des Dunkelstroms des Photodetektors, der mit 0 V betrieben wird, lediglich 0,1 µA (113 nA) beträgt, während die Reaktion ungefähr 270nA beträgt. Diese Reaktion und Variation des Photodetektors ist im Vergleich mit dem Betrieb mit anderen Spannungen stabiler.
Die 7 zeigt den Vergleich des Absorptionsspektrums zwischen dem Kupfer/p-Silizium-Photodetektor und einem Siliziumsubstrat. Die 7 zeigt, dass das Absorptionsspektrum des Siliziumsubstrats mit der Theorie stark übereinstimmt. Das meiste einfallende Licht mit einer Wellenlänge geringer als 1107 nm kann mit dem Siliziumsubstrat absorbiert werden. Im Bereich von 1107 nm nimmt die Absorption des Siliziumsubstrats schnell ab, wobei das Licht mit der Wellenlänge höher als 1107 nm kaum absorbiert wird. Dies führt zu einer guten Übereinstimmung mit dem theoretischen Wert der Absorption des Siliziumsubstrats. Die Energielücke des Siliziums beträgt 1,12 eV, die eine Wellenlänge mit einer theoretischen Absorption von ungefähr 1107 nm aufweist. Das einfallende Licht mit der Energie höher als 1,12 eV wird mit dem Siliziumsubstrat absorbiert, so dass das Siliziumsubstrat eine gute Absorption im Bereich von 1107 nm zum sichtbaren Licht aufweist. Die Photonen mit einer Energie unterhalb der Energielücke des Siliziums werden mit dem Siliziumsubstrat nicht mehr absorbiert, so dass die Absorption des Siliziumsubstrats für Lichter mit einer Wellenlänge größer als 1107 nm beinahe Null beträgt. Das Absorptionsspektrum des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors zeigt eine Breitband-Absorption und weist eine Absorption von ungefähr 40% für das einfallende Licht im Bereich von 300 bis 2700 nm auf. In diesem Bereich des sichtbaren Lichts verursacht das Kupfer ein Reflektieren des einfallenden Lichts, so dass die Absorption des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors im sichtbaren Bereich geringer als jene des Siliziumsubstrats ist. Die Absorption im Bereich von 1000 bis 2300 nm liegt hauptsächlich an der Absorption der Schottky-Barriere. Der heiße Träger wird durch die Einfallsphotonen auf der metallischen Seite erregt, um die Schottky-Barriere des Photodetektors zu überqueren und einen thermischen Strom zu erzeugen, was zur Absorption der Photonen mit einer Wellenlänge zwischen 1000 und 2300 nm durch die Schottky-Barriere führt. Die Absorption der Einfallsphotonen mit einer Wellenlänge von größer als 2300 nm wird durch die halbdurchgehende Bremsung verursacht. Da der Metallfilm ein Kupferfilm mit einer Dicke von 10 nm ist, bildet es keinen ebenen homogenen Film auf dem Siliziumsubstrat, sondern zahlreiche kleine Partikel auf dieser. Das einfallende Licht mit verschiedenen Wellenlängen wird daher mit einem teilweise übereinstimmenden Resonanzbereich auf der Oberfläche des Metallfilms schwingen, wobei die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) erreicht wird.
Die 8 zeigt, dass der Kupfer/p-Silizium-Photodetektor zum Messen der Reaktion des einfallenden Lichts mit verschiedenen Wellenlängen verwendet wurde. Die 8 zeigt, dass dieses Ergebnis gut der Fowler-Gleichung entspricht, wobei der Kupfer/p-Silizium-Photodetektor durch Anlegen einer geringen Vorspannung von -5 mV ebenfalls dessen Reaktion verbessern kann. Die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass die Reaktion des Kupfer/p-Silizium-Photodetektors bei der Erhöhung der Wellenlänge des einfallenden Lichts ungeachtet des Betriebs mit 0 mV oder -5 mV allmählich reduziert wird. Außerdem kann aus der Kurve von -5 mV deutlich beobachtet werden, dass die Grenzwellenlänge dieses Photodetektors aus Kupfer/p-Silizium ungefähr 2310 nm beträgt. Durch Anwendung dieser Grenzwellenlänge kann die Schottky-Barriere, die ungefähr 0,53 eV beträgt, mit der Formel E (eV)=hc/λ=1240/(λ(nm)) berechnet werden. Wie oben erwähnt, beträgt die Schottky-Barriere dieses Kupfer/p-Silizium-Photodetektors auf Basis von theoretischen Berechnungen ungefähr 0,52 eV. Die auf den gemessenen Ergebnissen basierende Schottky-Barriere dieses Kupfer/p-Silizium-Photodetektors ist sehr nahe zum theoretischen Wert (0,52 eV), was beweist, dass mit dem Kupfer/p-Silizium-Photodetektor tatsächlich Photonen mit einer Energie unterhalb der Energielücke des Siliziums gemessen werden können. Mit einem solchen planaren Kupfer/p-Photodetektor können jedoch allein durch die interne Absorption der Photoemission (IPA) tatsächlich Photoströme im Infrarotbereich erzeugt werden, wobei sonstige unterstützende Optimierungsmechanismen fehlen. Bei der Anwendung als generelle Schottky-Photodetektoren kann eine Reaktion mit hohem Wirkungsgrad nur mit Schwierigkeiten erreicht werden.
Die interne Absorption der Photoemission (IPA) bezieht sich auf Träger aus einem Metall, das durch die Einfallsphotonen erregt wird und Elektron-Loch-Paare oder heiße Träger zum Überqueren der Schottky-Barriere bildet, wobei dadurch ein Photostrom über den Außenkreislauf durch den physikalischen Mechanismus erzeugt wird. Um die durch das Einfallsphoton erregten heißen Träger mit der Schottky-Barriere zu absorbieren muss die Energie des einfallenden Lichts nur gering größer als die Schottky-Barriere sein, damit der durch das einfallende Licht erregte heiße Träger ausreichend Energie zum Überqueren der Schottky-Barriere erlangen kann.
Die 9A zeigt einen Photodetektor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 9A zeigt, dass der Photodetektor 2 aus einem Halbleiter 20, einer ohmschen Kontaktelektrode 22 und einer Metallelektrode 24 (einschließlich einer Schottky-Kontaktelektrode) besteht. Der Photodetektor 2 unterscheidet sich vom Photodetektor 1 des ersten Ausführungsbeispiels, indem der Halbleiter 20 nicht planar ist und eine periodische Microarray-Nanostrukture aufweist.
Die 9A zeigt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die periodische Pyramidenstruktur eine umgekehrte 3D-Pyramidenstruktur (IPS) ist. Die Abmessung einer jeden Pyramidenstruktur kann im Mikro- oder Nanobereich sein. Die 10 stellt eine Methode zum Herstellen des Photodetektors 2 dar. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiter ein doppelseitig polierter p-Siliziumwafer (100), der einen Widerstand von 5-10 Ω-cm und eine Dicke von 380-420 µm aufweist. Zuerst wird der Siliziumwafer mit einem Diamantstift in ein 2,5×2,5 cm²-Siliziumsubstrat 20 geschnitten. Danach wird das Siliziumsubstrat 20 in dieser Reihe mit Aceton, Isopropanol (IPA), deionisiertem Wasser (DI-Wasser) und Methanol gereinigt, wonach die Oberfläche des Siliziumsubstrats schließlich 15 Minuten mit einem Ultraschallreinigungsgerät gewaschen wird, um organische Substanzen und Partikel auf der Oberfläche zu entfernen. Danach wird das Siliziumsubstrat der Reihe nach mit einer Piranha-Lösung, einer Flußsäure und mit deionisiertem Wasser wie oben beschrieben gewaschen. Das Siliziumsubstrat 20 wird danach mit einer Stickstoffspritzpistole trocken geblasen.
Die 9B zeigt eine Querschnittansicht zum Darstellen einer dreidimensionalen umgekehrten Pyramidenstruktur (IPS) nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 9B zeigt, dass H für die Höhe des Hohlraums in der Form einer umgekehrten Pyramide und L(H) für die Länge der Wand des Hohlraums in der Form einer umgekehrten Pyramide steht. Bei einer Vergrößerung der Höhe H wird die Länge L(H) der Wand des Hohlraums in der Form einer umgekehrten Pyramide ebenfalls vergrößert. Obwohl die umgekehrte Pyramidenstruktur eine bestimmte Zeitspanne hat, weist jede Pyramide eine unterschiedliche oder mehrere Längen L(H) der Hohlraumwand auf.
Die 10 stellt eine Methode zum Bilden einer umgekehrten Pyramidenstruktur (IPS) der 9A und 9B dar. Der Schritt (a) zeigt, dass nach dem Reinigen des Siliziumsubstrats 20 ein Silizium-Dioxidfilm 21 mit einer Dicke von 500 nm mit einer plasmaverstärkten chemischen Gasabscheidungsvorrichtung auf die oberen und unteren Oberflächen des Siliziumsubstrats 20 aufgetragen wird. Der Silizium-Dioxidfilm 21 auf der oberen Oberfläche dient als eine Ätzmaske für die anisotrope Ätzung mit Kaliumhydroxid, während der Silizium-Dioxidfilm 21 auf der unteren Oberfläche während dem Ätzen als eine Schutzschicht dient. Die Durchflussraten der Reaktionsgase sind wie folgt aufgeführt: SiH₄: 40 sccm; N₂O: 160 sccm. Weiter betragen die Abscheidetemperatur, der Druck und die Zeit 350°C, 67 Pa bzw. 10 Minuten.
Der Schritt (b) in der 10 zeigt, dass mit einem Lithographie-Prozess das Oberflächenmuster des Siliziumsubstrats 20 definiert wird. Zuerst wird ein Photolack (S 1813) 23 eines Photolithographie-Prozesses mit einem Spin-Coater gleichmäßig auf den Silizium-Dioxidfilm 21 auf die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 20 beschichtet. Die Beschichtungsparameter betragen 1000 UPM, 10 Sekunden/4000 UPM und 40 Sekunden. Der beschichtete Photolack 23 wird danach 3 Minuten bei 115°C weichgebrannt. Zum Reinigen der zu belichtenden Maske kann Aceton verwendet werden. Das Siliziumsubstrat 20 wird danach in die Belichtungsmaschine gelegt, wobei der Rand des Siliziumsubstrats 20 nach dem Rand der Maske ausgerichtet und die Maske danach 20 Sekunden belichtet wird. Das Siliziumsubstrat 20 wird nach einer einmaligen Belichtung um 90° rotiert, nach dem Rand der Maske ausgerichtet, wobei die Maske für die Sekundärexposition während 20 Sekunden sicher befestigt wird. Das belichtete Siliziumsubstrat 20 wird danach 13 Sekunden in den S1813-dedizierten Entwickler MF-319 eingetaucht. Das entwickelte Siliziumsubstrat 20 wird danach in deionisiertes Wasser eingetaucht, um den restlichen Photolack 23 und den Entwickler zu entfernen, und anschließend mit einer Stickstoffspritzpistole getrocknet. Zuletzt wird das Siliziumsubstrat 20 mit einer heißen Platte 1 Minute bei 125°C hartgebrannt.
Der Schritt (c) in der 10 zeigt, dass das Siliziumsubstrat 20 in einen Beschichter mit thermischer Verdampfung (ULVAC) gelegt wird, während ein Chromfilm 25 mit einer Dicke von 40 nm in einer Vakuumumgebung von weniger als 4×10^-6 torr auf die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 20 mit einer Abscheiderate von 0,3 Angstrom (Ä) pro Sekunde aufgetragen wird.
Der Schritt (d) in der 10 zeigt, dass das Siliziumsubstrat 20 danach in Aceton eingetaucht und 30 bis 90 Minuten mit einem Ultraschallreinigungsgerät gewaschen wird, um den Photolack 23 und das Chrom 25 auf dem Photolack 23 zu entfernen, während das restliche Chrom 25 als eine Maske für das nachfolgende Trockenätzverfahren verwendet wird.
Der Schritt (e) in der 10 zeigt, dass das Ätzen unter einem Kammerdruck von 4×10^-4 torr mit einem reaktiven Ionenätzsystem (RIE: Plasmaab) erfolgt. Die Durchflussraten der Reaktionsgase betragen wie folgt: Ar, 25 sccm und CHF₃, 25 sccm, wobei die Antriebsenergie und Ätzzeit 200 Watt bzw. 30 Minuten betragen. Das Siliziumsubstrat 20 wird für das isotropische Ätzen in die Kammer gelegt, wobei das nicht durch die Chrommaske geschützte Siliziumdioxid 21 in vertikaler Richtung geätzt wird, bis das Siliziumdioxid vollständig entfernt wurde, und das Siliziumsubstrat 20 darunter freigelegt wird. Das übrige Siliziumdioxid 21 wird danach als eine Maske für eine nachfolgende nassanisotrope Ätzung mit Hilfe von Kaliumhydroxid (KOH) verwendet.
Der Schritt (f) in der 10 zeigt, dass danach eine Ätzlösung aus Kaliumhydroxid mit einer Volumenprozentkonzentration von 15% präpariert wird. Das Verhältnis des Isopropanols (IPA) und einer Kaliumhydroxidlösung von 45% zum deionisierten Wasser beträgt 1:5:15. Der Zusatz des Isopropanols (IPA) liegt an dessen niedrigeren Polarität und der niedrigeren Oberflächenspannung, so dass sich die während dem Ätzen entstandenen Wasserstoffblasen, die an der Struktur hängen, leicht von der Siliziumfläche lösen können, um ein Abätzen der Maskierung des Siliziumdioxids 21 zu vermeiden und die Gleichmäßigkeit des Ätzens zu verbessern. Nach dem Erhitzen der Ätzlösung auf 75°C wird das Siliziumsubstrat 20 für die anisotrope Ätzung ungefähr 10 bis 20 Minuten in die Ätzlösung eingetaucht, um die umgekehrte Pyramidenstruktur (IPS) zu erzeugen.
Der Schritt (g) in der 10 zeigt, dass das Siliziumsubstrat 20 in eine gepufferte Oxidätzlösung (BOE) eingetaucht wird, um das Siliziumdioxid 21 und den Chrom 25 auf der oberen und unteren Oberfläche zu entfernen und somit die dreidimensionale umgekehrte Pyramidenstruktur zu vervollständigen. Als nächstes werden die organischen Substanzen, Oxide und Metallpartikel, die auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 20 verblieben sind, mit der Piranha-Lösung und der Flußsäure (BOE) entfernt. Das Siliziumsubstrat 20 wird danach in ein Verdunstungssystem des Elektronenstrahls (ULVAC) gelegt, während die ohmsche Kontaktelektrode 22 und die Metallelektrode 24 unter einem Kammerdruck von 4×10^-6 torr abgeschieden werden. Ein Platin mit einer Dicke von 100 nm wird zuerst als eine ohmsche Kontaktelektrode 22 auf die untere Oberfläche des Siliziumsubstrats 20 abgelagert. Danach wird ein Kupferfilm mit einer Dicke von 8 nm auf die Oberfläche des IPS des Siliziumsubstrats 20 als eine Schottky-Kontaktelektrode aufgetragen, wonach schließlich eine Gitterelektrode aus Kupfer mit einer Dicke von 120 nm mit Hilfe einer Lochmaske auf die Schottky-Kontaktelektrode aus Kupfer aufgetragen wird. Die Metallelektrode 24 besteht aus einer Schottky-Kontaktelektrode aus Kupfer und einer Gitterelektrode aus Kupfer. Der Photodetektor 2 ist nun wie in der 9 gezeigt vollständig.
Im oben beschriebenen Herstellverfahren hängt die Topographie des IPS stark von den Parametern des Lithographieprozesses und dem anisotropischen KOH-Nassätzen ab. Die 11 zeigt die SEM-Bilder der Draufsicht und der Querschnittansicht zum Darstellen der umgekehrten Pyramidenstruktur nach dem Ätzen mit der KOH-Lösung während 20 Minuten. Die 12 stellt das Verhältnis zwischen den strukturellen Parametern der umgekehrten Pyramiden-Nanostrukturen und der Ätzzeit dar. Die 12 zeigt, dass die maximale Breite der Oberseite eines jeden umgekehrten Pyramidenelements bis zu 3,8 µm (Breite) betragen kann, während die Lücke zwischen zwei angrenzenden umgekehrten Pyramidenelementen bis zu 300 nm betragen kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die dreidimensionale umgekehrte Pyramidenstruktur mit einer Periode von 6 µm und 8 µm jeweils durch Variieren der Periode der Belichtungsmaske angefertigt. Die optimale KOH-Anisotropie-Ätzzeit für die Perioden-IPS von 6 µm und 8 µm beträgt 22 bzw. 24 Minuten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden erfolgreich dreidimensionale aufrechte Pyramidenstrukturen (UPS) mit Hilfe der Doppelbelichtung und der KOH-Ätztechnik zum Umkehren des belichteten Oberflächenmusters mit negativem Photolack angefertigt. Die 23 zeigt ein SEM-Bild zum Darstellen der angefertigten dreidimensionalen und aufrechten Pyramidenstrukturen.
Für ein besseres Verständnis der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) zwischen der einfallenden elektromagnetischen Welle und der Metallstruktur dienen die 3D-Finite-Difference-Time-Domain-Methode (3D-FDTD) und die Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Simulieren der Resonanz der elektromagnetischen Welle in einer IPS-Struktur. Die 13 zeigt die in der Simulation verwendete IPS-Struktur einschließlich: Schaffen eines Raums mit einem Fassungsvermögen von 4×4×6 µm³ (x,y,z); Bilden der perfekt übereinstimmenden Schichten (PML) für sechs Grenzflächen in diesem Raum; Bilden einer siliziumbasierten IPS-Struktur (IPS-Si); Schaffen eines metallischen Nanofilms mit einer Dicke von 30 nm auf der Oberfläche des Hohlraums des IPS; Bilden des Raums über dem metallischen Nanofilm in Luft und Erzeugen des einfallenden Lichts von der oberen Grenze des Raums senkrecht in eine $- \overset{⇀}{Z} - Richtung;$
die Bildung der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts erfolgt in einer Oszillation in der $\overset{⇀}{X} - Richtung;$
das Erzeugen der Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Welle beträgt 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 bzw. 4000 nm. Die Dicke des Metalls ist im Experiment auf 30 nm anstelle von 10 nm bestimmt, um das Problem des unzureichenden Speicherplatzes in der Simulation zu vermeiden. Nach dem Beenden der Simulationsberechnung wird die Intensität der einfallenden elektromagnetischen Welle mit der folgenden Formel (1) normalisiert. $Ratio = \frac{| E |}{| E_{0} |}$
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Nanofilm aus Kupfer mit einer Dicke von 10 nm mit Hilfe eines Verdunstungssystems des Elektronenstrahls auf die Oberfläche der IPS-Struktur aufgetragen, um die metallische Nanoreihe mit einer Mikroreihe auf der Metalloberfläche zu vervollständigen. Mit dem Kupfer und dem P-Silizium wird ein Schottky-Übergang am Metall-Halbleiter-Übergang mit einer Schottky-Barriere von ungefähr 0,52 eV gebildet.
Die 14 zeigt die Simulationsergebnisse des einfallenden Lichts von 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, and 4000 nm, das jeweils senkrecht auf das Metall des IPS-Photodetektors einfällt. Wird die Periode der Struktur auf 5-10 µm eingestellt kann die Wellenlänge der Resonanz wie in der 14 gezeigt ebenfalls auf 5000-10000 nm erhöht werden. Die 14 zeigt, dass innerhalb des Raums der Cu-IPS-Struktur für sämtliche einfallende Wellenlängen ein starker Lichtbeschränkungseffekt beobachtet werden kann, was darauf hinweist, dass diese Struktur einen guten dreidimensionalen Resonanzraum darstellt. Beim Verändern der einfallenden Wellenlänge tritt die plasmonische Resonanz der Oberfläche in verschiedenen Bereichen mit dem Raum der Cu-IPS-Struktur auf. Beträgt die einfallende Wellenlänge 500 nm muss die Länge der Resonanz (LSPR) kürzer sein, da je kürzer die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, desto mehr wird die übereinstimmende nanoskalierte Länge zum Erzeugen des LSPR auf der Unterseite der Cu-IPS-Struktur lokalisiert. Wenn das mittlere Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1500-4000 nm einfällt wird der LSPR wegen der größeren Wellenlänge des einfallenden Lichts mit einer übereinstimmenden nanoskalierten Länge nahe zur Oberseite der Cu-IPS-Struktur erzeugt. Aus allen Resonanzsimulationen ist deutlich ersichtlich, dass das lokalisierte starke Lichtfeld im Cu-IPS-Strukturhohlraum mit dem starken Nahfeld des Metalls tatsächlich kontinuierlich ist und daher eine lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) auf der Metalloberfläche erzeugt wird. Dies beweist deshalb, dass das einfallende Licht mit einer Wellenlänge bis zu 4 µm wie in der 14 gezeigt die entsprechende Länge des Resonanzraums in der Struktur finden und die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) erzeugen kann, da die IPS-Struktur einen geometrischen Charakter mit mehreren Hohlraumlängen aufweist. Da zudem die IPS-Struktur der zweidimensionalen geometrischen Symmetrie für die Einheit und der zweidimensionalen Symmetrie für die periodische Reihe entspricht können sowohl das X-polarisierte als auch das Y-polarisierte einfallende Infrarotlicht einen LSPR mit einer ausgezeichneten Intensität auf der Oberfläche der Struktur erzeugen. Die IPS-Struktur ist für das einfallende Licht polarisierungsunsensibel.
Die 15 stellt das Verhältnis zwischen der Intensität der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche und der Raumlänge für die verschiedenen Wellenlängen des einfallenden Lichts (Daten der schwarzen Pfeile in der 13) dar. Für das einfallende Licht mit verschiedenen Wellenlängen ist der erste Resonanzbetrieb die kürzeste Resonanz und metallische Hohlraumlänge, wie dies mit den Pfeilen in der 15 angezeigt ist. Da die Wellenlänge des einfallenden Lichts von 500 nm auf 4000 nm zunimmt nehmen die Resonanz und die metallische Hohlraumlänge des ersten Resonanzbetriebs zu. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts außerdem im Wellenlängenbereich von 1000-4000 nm ebenfalls zunimmt nimmt die Intensität der Resonanz des ersten Resonanzbetriebs ab. Beispielsweise ist die Intensität der Resonanz des ersten resonanten Modus' des einfallenden Lichts mit einer Wellenlänge von 1000 nm stärker als jene des ersten resonanten Modus' des einfallenden Lichts mit einer Wellenlänge von 4000 nm. Zum Erzeugen der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche erfordert das einfallende Licht mit einer Wellenlänge von 1000 nm eine Raumlänge von 700 nm, während die Intensität des einfallenden Lichts auf die Raumlänge von 700 nm für die IPS-Struktur mit einer Einheitenbreite von 4 µm begrenzt wird. Das einfallende Licht mit einer Wellenlänge von 4000 nm erfordert eine Raumlänge von 2700 nm, während die Intensität des einfallenden Lichts für eine IPS-Struktur mit einer Einheitenbreite von 4 µm auf eine Raumlänge von 2700 nm begrenzt sein wird. Das einfallende Licht mit einer kurzen Wellenlänge wird daher eine stärkere Intensität der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche als das einfallende Licht mit einer großen Wellenlänge haben. Um die Resonanzintensität der größeren Wellenlängen zu verbessern erfordert dies lediglich ein Verlängern der Periode der IPS-Struktur (d.h. die Einheitenbreite der IPS-Struktur), damit das einfallende Licht mit der großen Wellenlänge einen stärkeren Effekt der Plasmabeschränkung aufweist.
Die 16 stellt das Verhältnis zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Länge des Hohlraumresonators mit dem LSPR über unterschiedliche Resonanzmoden dar. Aus der 16 ist ersichtlich, dass die Wellenlänge des einfallenden Lichts zunimmt, wobei die Resonanz und metallische Hohlraumlänge im ersten resonanten Modus ebenfalls zunehmen. Hier kann das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der übereinstimmenden Resonanz und metallischen Hohlraumlänge als die folgenden Gleichungen (2)-(4) zusammengefasst werden. Die Resonanz und metallische Hohlraumlänge des ersten resonanten Modus' entspricht ungefähr 0,7 Mal der Wellenlänge des einfallenden Lichts (Gleichung 2), während die Resonanz und metallische Hohlraumlänge des zweiten resonanten Modus' ungefähr 1,54 Mal der Wellenlänge des einfallenden Lichts entspricht (Gleichung 3). Die Resonanz und metallische Hohlraumlänge entspricht ungefähr 1,8 Mal der Wellenlänge des einfallenden Lichts (Gleichung 4), während der Korrelationskoeffizient R² einer jeden Gleichung größer als 0,99 ist. $L_{m1, Cu} = 0.6925 \times λ + 0.014 (R^{2} = 0.9974)$
$L_{m2, Cu} = 1.5403 \times λ + 0.042 (R^{2} = 0.9999)$
$L_{m3, Cu} = 1.8532 \times λ + 0.447 (R^{2} = 0.9941)$
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die LSPR-Simulation mit einer Gold/p-IPS-Struktur und einer Silber/p-IPS-Struktur durchgeführt. Die Ergebnisse sind ziemlich ähnlich die jene der oben beschriebenen Cu-IPS-Struktur. Es ist daher erwiesen, dass der Schlüssel zum Erzeugen der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche des einfallenden Lichts durch die IPS-Struktur an den mehrfachen Hohlraumlängen und der Periode der Struktur liegt. Zum Induzieren der lokalisierten Plasmonen-Resonanz der Oberfläche mit hoher Intensität mit der IPS-Struktur muss die Periode der IPS-Struktur so erzeugt werden, dass diese ungefähr 4 Male der Zielwellenlänge der Resonanz (die 4 nm-Periode des IPS entspricht einem einfallenden Licht von 1000 nm) entspricht, um so den besten Effekt der Lichtbeschränkung und die beste Intensität der Plasmonen-Resonanz der Oberfläche zu erreichen. Eine lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberflächenstruktur mit einer einzelnen Länge des resonanten Metalls kann mit Bezugnahme auf die obenstehenden Gleichungen (2)-(4) erzeugt werden, während die lineare Länge des resonanten Metalls und die Struktur für die Zielwellenlänge ebenfalls auf diese Weise berechnet werden können, um so eine lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberflächenstruktur mit hoher Intensität zu erhalten.
Die 17 stellt das Absorptionsspektrum des doppelseitig polierten p-Siliziumsubstarts, den planaren Schottky-Photodetektor aus Kupfer/p-Silizium, den IPS-Schottky-Photodetektor aus Kupfer/p-Silizium und den planaren Schottky-Photodetektor aus Gold/Kupfer/p-Silizium dar. Die 17 zeigt, dass das Siliziumsubstrat eine erhebliche Absorption von ungefähr 60-70% im sichtbaren Bereich vor der Grenzwellenlänge von 1107 nm aufweist, wobei die Absorption nahe der Grenzwellenlänge stark abnimmt und die Absorption nach der Grenzwellenlänge Null nähert. Wegen der erhöhten Reflektivität des Kupferfilms im Bereich des sichtbaren Lichts wird die Absorption des planaren Kupfer/p-Photodetektors im Bereich des sichtbaren Lichts um ungefähr 10% bis 20% im Vergleich mit dem Siliziumsubstrat reduziert. Im Infrarotbereich wird die Energiebarriere des Schottky-Übergangs jedoch wegen dem Unterschied der Arbeitsfunktion zwischen dem Silizium und dem Kupfer gebildet, so dass die Einfallsphotonen nicht direkt durch das Silizium dringen, wobei ein Teil des einfallenden Lichts durch den Schottky-Übergang absorbiert wird, so dass die Absorption des planaren Photodetektors des Infrarotbereichs (λ>1107 nm) unter der Energielücke des Siliziums auf 40% erhöht werden kann, wobei dies jedoch für den Photodetektor leicht unzureichend ist.
Die 17 zeigt, dass die IPS-Struktur im Vergleich mit den oberen beiden einen Effekt des 3d-Raums zum Einführen eines LSPRs mit einem extrem breiten Band aufweist, wobei der aktive Bereich mit der Nanostruktur auf der Oberfläche vergrößert werden kann, um somit die Absorption erheblich zu verbessern. Der IPS-Photodetektor aus Kupfer/p-Siliziums weist eine Absorption über 80% vom Bereich des sichtbaren Lichts zum Bereich des mittleren Infrarotlichts (450-2700 nm) auf, wodurch die extrem auftretende Absorption des breiten Frequenzbereichs erreicht wird. Dieses Absorptionsspektrum stimmt mit den Simulationsergebnissen überein, die eine extrem breite Resonanzfrequenz aufweist. Die Kupfer/p-IPS-Struktur weist eine allmählich unterschiedliche Raumlänge auf, wobei das einfallende Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 4000 nm den LSPR und den Effekt der Photonenbeschränkung induzieren kann, um die Lichtabsorption effektiv zu verstärken. Diese Kupfer/p-IPS-Struktur weist eine bessere Absorption mit Breitband-Resonanz im Vergleich mit der in der Zeitschrift der Nature Communication (Lai, YS, Chen, H. L., & Yu, C. C. (2014) aufgeführten 3D-DTTM-Struktur auf. Siliziumbasierte Breitbandantenne für die hohe Ansprechempfindlichkeit und polarisierungsunsensible Photodetektion mit der Wellenlänge der Telekommunikation. Nature communications, 5, 3288).
Die 18 stellt die Dunkelstrom-IV-Messungen der planaren und der IPS-Kupfer/p-Schottky-Photodetektoren dar. Die 18 zeigt, dass sowohl die planaren als auch die IPS-Photodetektoren die IV-Gleichrichtmerkmale einer Standard-Schottky-Diode aufweisen, wobei diese beiden Photodetektoren eine niedrige Einschaltspannung beim Betrieb in einem Bereich der Rückwärts-Vorspannung im Vergleich mit einer PN-Flächendiode aufweisen. Die Einschaltspannung der beiden Photodetektoren beträgt ungefähr 0,1 V, während der Dunkelstrom der beiden Photodetektoren im Bereich der Rückwärts-Vorspannung sehr niedrig ist. Im Betriebsbereich der beiden Photodetektoren beträgt der Dunkelstrom ungefähr 1,66 µA bei einer Vorspannung von 0. Im Vergleich der Dunkelströme des planaren und IPS-Photodetektors ist ersichtlich, dass der Unterschied zwischen den Dunkelströmen der beiden Photodetektoren nicht erheblich ist. Es ist ersichtlich, dass die IPS-Struktur auf der Oberfläche des Photodetektors die Leistung des Dunkelstroms des Schottky-Photodetektors aus Kupfer/p-Siliziums nicht verändert.
In einem Ausführungsbeispiel werden die planaren und IPS-Photodetektoren für die Messung des Infrarotlichts mit verschiedenen Wellenlängen (1150-2700 nm) verwendet. Die Photodetektoren werden mit einer Vorspannung von 0 und einer Vorspannung von -5 mV betrieben, um den Dunkelstrom und den Lichtstrom zu messen und zu berechnen, wieviel Überstrom oder der Reaktion beim Einfallen von unterschiedlichen Wellenlängen des Infrarotlichts auf den Photodetektor auftritt. Die 19 stellt die Reaktionen der planaren und der IPS-Photodetektoren dar, die mit Infrarotlichtem mit verschiedenen Wellenlängen gemessen wurden. Wenn der Photodetektor beim planaren Photodetektor mit einer Vorspannung von 0 betrieben wird, wird die Reaktion des Photodetektors reduziert, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts größer wird. Diese Tendenz stimmt ebenfalls ungefähr mit der Wahrscheinlichkeit der Quantumsübertragung (η_i ) nach der Formel $(η_{i} = C \frac{{(h v - φ_{B})}^{2}}{b v})$
überein. Beim Vergrößern der Wellenlänge des einfallenden Lichts nimmt die Einfallsphotonenenergie ab. Daher ist die Reaktion des planaren Photodetektors im Bereich der kurzen Wellenlänge betonter als im Bereich der großen Wellenlänge, wobei beim Betrieb des Photodetektors mit der Vorspannung von -5 mV die Reaktion des Photodetektors um 3 bis 10 Mal verbessert werden kann. Aus dieser Reaktion geht hervor, dass die Abschaltspannung des planaren Photodetektors ungefähr 2350 nm beträgt, was mit einer Höhe der Schottky-Barriere von ungefähr 0,53 eV gleichkommt. Dies ist im Vergleich mit der theoretisch berechneten Höhe der Schottky-Barriere der Si-basierten Kupfer/p-Schottky-Diode. Die (Cu/P-Si-)Verbindungsstelle weist eine Höhe der Schottky-Barriere von ungefähr 0,52 eV auf, was zeigt, dass der Si-basierte Cu/P-Schottky-Photodetektor der vorliegenden Erfindung tatsächlich für das Messen der Photonen mit einer Photonenenergie, die geringer als die Silizium-Bandlücke ist, gemessen werden kann. Der Mechanismus des mit dem planaren Photodetektor erzeugten Photostroms stellt jedoch lediglich die interne Photoemissions-Absorption (IPA) dar, wobei eine Reaktion mit hohem Wirkungsgrad nicht leicht erreicht werden kann.
Die 19 zeigt, dass der IPS-Photodetektor eine Raktion mit extrem breitem Band und einer hohen Intensität erzeugt, die ungefähr 40 Mal größer als jene des planaren Photodetektors ist. Beim Vergrößern der Wellenlänge des einfallenden Lichts wird die Reaktion zudem reduziert, wobei diese jedoch nicht so schnell wie der planare Photodetektor abfällt, wobei keine Cut-off-Wellenlänge des IPS-Photodetektors im Wellenlängenbereich der Messung beobachtet wird. Da die Oberfläche des IPS-Photodetektors eine plasmonische Resonanz der Oberflächenstruktur und einen dreidimensionalen optischen Hohlraumresonator aufweist können die Einfallsphotonen effektiv auf den Schottky-Übergang beschränkt werden, so dass daher ein starkes Nahfeld und zahlreiche heiße Träger am Metall-Halbleiter-Übergang erzeugt werden, um somit die Reaktion des Photodetektors effektiv zu verbessern. Weiter weist die IPS-Struktur mehrere Hohlraumlängen auf, während die Simulationsergebnisse zeigen, dass das einfallende Licht mit einer Wellenlänge von 500-4000 nm einen LSPR in der IPS-Struktur erzeugen kann und die Resonanz erhöht wird, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts vergrößert wird, was dazu führt, dass nicht nur die Reaktion in einem spezifischen Wellenlängenbereich optimiert wird, sondern ebenfalls eine sehr hohe Rücklaufquote des Breitbands erreicht werden kann, damit die Reaktion nicht so schnell wie die Vergrößerung der einfallenden Wellenlänge abfällt. Das Messergebnis zeigt ebenfalls, dass der IPS-Photodetektor das mittlere Infrarotlicht mit einer Energie erkennen kann, die unterhalb der Schottky-Barriere (in diesem Beispiel 0,53 eV: 2350 nm) ist, da der IPS-Photodetektor eine ausgezeichnete LSPR-Resonanz aufweist. Die mit dem Infrarotlicht des einfallenden Lichts erregten Wärmeträger werden auf dem Metall angesammelt, da deren Energie niedriger als die Höhe der Schottky-Barriere ist und die Energiebarriere nicht überqueren können. Die LSPR-Resonanz auf dem Metall erzeugt jedoch eine große Anzahl von erregten heißen Träger, die auf dem Metall-Halbleiter-Übergang angesammelt wurden. Nachdem wie in der 20 gezeigt eine große Anzahl von heißen Träger miteinander kollidieren und das thermische Gleichgewicht erreichen gewinnen manche heiße Träger eine Energie, die die Höhe der Schottky-Barriere übersteigt und somit die Energiebarriere überqueren kann, um den thermischen Strom zu erzeugen. Dies führt dazu, dass der IPS-Photodetektor nicht nur die Erkennungsreaktion der Einfallsphotonen mit einer Energie unterhalb der Si-Bandlücke optimieren, sondern ebenfalls das mittlere Infrarotlicht mit einer Energie unterhalb der Schottky-Barriere erkennen kann.
Die 21 stellt die Photostrom-Reaktion des IPS-Photodetektors nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, in dem der IPS-Photodetektor mit dem IR-Laser mit 1550 nm mit verschiedenen Intensitäten des einfallenden Lichts (1,2-5,8 mW) und Spannungen der Vorspannung betrieben wird, wobei die Intensität eines jeden einfallenden Lichts dreimal gemessen wird. Die aktuellen Reaktionen des Photodetektors für unterschiedliche Intensitäten des einfallenden Lichts unterscheiden sich deutlich und nehmen allmählich auf die Reaktion auf die Zunahme der Intensität des einfallenden Lichts zu. Die in der 21 gezeigten sieben IV-Kurven werden jeweils mit verschiedenen Intensitäten des einfallenden Lichts bei 1,2 mW, 2 mW, 3 mW, 4 mW, 5 mW und 5,8 mW von oben nach unten als dunkel gemessen. Die aktuelle Reaktion ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, wobei die gemessenen ursprünglichen aktuellen Daten ebenfalls eine ziemlich hohe Korrelation mit der Intensität des einfallenden Lichts aufzeigen.
Die 22 stellt die Verhältnisse zwischen der Reaktion und der Intensität des einfallenden Lichts dar, wenn der IPS-Photodetektor mit einer Vorspannung von 0 mV oder -5 mV betrieben wird. Beim Betrieb des IPS-Photodetektors mit der Vorspannung von 0 ist die Reaktion des Photodetektors direkt proportional zur Intensität des einfallenden Infrarotlichts, wobei die Messungen eine ausgezeichnete Linearität (hoher Grad der Linearität R²=0,997) mit einer Reaktion von ungefähr 1032 nA/mW aufweisen. Beim Betrieb des IPS-Photodetektors mit einer Vorspannung von -5 mV ist die Reaktion des Photodetektors ebenfalls direkt proportional zur Intensität des einfallenden Infrarotlichts, wobei die Messungen eine gute Linearität (hoher Grad der Linearität R²=0,9864) mit einer Reaktion von ungefähr 1343 nA/mW aufweisen, was ungefähr einer Förderung von 30% im Vergleich mit dem Betrieb mit der Vorspannung von 0 entspricht. Die Photodetektoren der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine stärkere Reaktion und eine Erkennung des Absorptionsgrads mit einem größeren Breitband als die in den Literaturen beschriebenen herkömmlichen Geräte, wie beispielsweise die durch Knight et al. (Knight, MW, Sobhani, H., Nordlander, P., & Halas, NJ (2011) geschaffene dreidimensionale Antenne mit tiefen Striemen/Struktur als dünnem Metall. Photodetektion mit aktiven optischen Antennen. Science, 332(6030), 702 -704.) und Lin, Keng-Te, et al, (Lai, YS, Chen, HL, & Yu, CC (2014) Siliziumbasierte Breitbandantenne für die hohe Ansprechempfindlichkeit und polarisierungsunsensible Photodetektion mit der Wellenlänge der Telekommunikation. Nature Communications, 5, 3288).
Die 24 zeigt einen Schottky-Kontakt, der durch Auftragen eines Silber-Nanofilms auf ein planares Siliziumsubstrat nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angefertigt wird. Die 25 stellt ein Diagramm zum Darstellen der aktuellen Reaktion in der 24 dar, in dem das Gerät mit einer breiten Auswahl an Spannungen und einer Vorspannung von 0 betrieben wird, wobei die Lichter vorwärts oder rückwärts auf den Schottky-Kontakt des Geräts einfallen. Die 25 zeigt, dass die aktuelle Reaktion des Geräts beim Betrieb mit 0 mV ziemlich stabil ist, wobei festgestellt wurde, dass die Reaktion des Geräts mit dem rückwärts einfallenden Licht ungefähr zweimal so groß wie das vorwärts einfallende Licht ist. Wenn das Licht vorwärts auf den Schottky-Übergang einfällt muss das Licht den dünnen Metallfilm durchqueren und wird vom Metall absorbiert. Wenn dagegen das Licht rückwärts auf den Schottky-Übergang einfällt kann das Licht direkt auf den Schottky-Übergang auftreffen. Dieses rüchwärtige Einfallen kann nur auf die Detektion des Infrarotbands angewendet werden, da das Siliziumsubstrat im Bereich des sichtbaren Lichts eine große Absorption aufweist.
Die 24 und 25 zeigen, dass beim Verändern des Lichts auf rückwärts einfallend auf den Schottky-Übergang der ursprüngliche Silber-Schottky-Kontakt-Nanofilm dicker sein und von 10 nm auf 100 nm geändert werden kann. Mit dem dickeren Schottky-Kontakt können die Nachteile der leichten Oxidierung der dünnen Filmschicht verbessert werden.
Die 26 zeigt eine durch die Finite-Elemente-Methode simulierte aufrechte Pyramidenstruktur (UPS), wobei das Licht so verändert wird, dass es vom Siliziumsubstrat auf den Schottky-Kontakt einfällt. Die 27 stellt die Simulationsergebnisse dar, in denen die Lichter mit Wellenlängen von 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 1000 nm jeweils senkrecht auf die Metallelektrode des UPS einfallen. Zwischen den aufrechten Pyramiden sind Hohlräume gebildet. In den Hohlräumen der Ag-UPS-Struktur kann für alle einfallenden Wellenlängen eine starke Lichtfeldeinschränkung beobachtet werden, was darauf hinweist, dass diese Struktur ebenfalls ein guter dreidimensionaler Hohlraumresonator ist. Da sich die einfallende Wellenlänge verändert tritt die plasmonische Resonanz der Oberfläche in verschiedenen Bereichen des Hohlraums der Ag-UPS-Struktur auf. In dieser Struktur nimmt die gleichwertige Wellenlänge des einfallenden Lichts ab, da mit dem in das Siliziumsubstrat dringende Licht der Brechungsindex vergrößert wird, wobei die übereinstimmende lineare Länge im Hohlraum für die gleichwertige Wellenlänge aufgefunden werden kann. Außerdem ist aus allen Resonanzsimulationen deutlich ersichtlich, dass das lokale starke Lichtfeld im Hohlraum der Ag-UPS-Struktur mit dem starken Nahfeld auf dem Metall tatsächlich kontinuierlich ist und eine betonte lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) auf der Metalloberfläche erzeugt. Somit wird bewiesen, dass die UPS-Struktur ebenfalls unterschiedliche oder mehrere Hohlraumlängen zum Einführen des Breitband-LSPR aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Si-basierter Schottky-Photodetektor mit Hilfe eines Metall-Halbleiter-Übergangs (Cu-Si) erfolgreich auf einem p-Siliziumsubstrat angefertigt, während mit einer IPS- (oder einer UPS-)Struktur die Reaktion des Photodetektors optimiert wird. Die IPS-Struktur weist die Merkmale der eindimensionalen abweichenden linearen Länge, zweidimensionalen symmetrischen periodischen Reihe und des dreidimensionalen optischen Hohlraumresonators auf und kann die Effekte der Lichtbeschränkung effektiv verbessern sowie Photostrom erzeugen. Aus den Ergebnissen der 3D-FDTD- und FEM-Simulationen ist ersichtlich, dass im einfallenden Wellenlängenbereich von 500-4000 nm die passende lineare Länge zum Induzieren des LSPRs in der Kupfer/p-IPS-Struktur aufgefunden werden kann, was das Erreichen des LSPRs mit einem sehr breiten Band mit Hilfe der Kupfer/p-IPS-Struktur ermöglicht. Außerdem wurde das Verhältnis zwischen der Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Welle und der linearen Länge des IPS erfolgreich zusammengefasst. Anhand des Absorptionsspektrums kann ebenfalls beobachtet werden, dass die Absorption des Kupfer/p- und Si-basierten IPS-Photodetektors einen extrem breitbandigen Absorptionsgrad mit mehr als 80% innerhalb der Wellenlänge von 450-2700 nm aufweist. Der Durchbruch gegenüber der LSPR-Struktur nach der bekannten Ausführungsart, mit der lediglich die Plasmonen-Resonanz der Oberfläche in einem schmalen Frequenzbereich induziert werden kann, war erfolgreich. Aus den Resonanzmessungen für das einfallende Licht mit verschiedenen Wellenlängen kann beobachtet werden, dass die Kupfer/p-IPS-Struktur eine ausgezeichnete Reaktion im einfallenden Wellenlängenbereich von 1150-2700 nm aufweist. Beim Betrieb des Geräts mit 0 Vorspannung und 5 mV ist die durchschnittliche Reaktion höher als 300 nA bzw. 3500 nA, während die Reaktion beim Erhöhen der Wellenlänge des einfallenden Lichts nicht radikal reduziert wird. Beim Betrieb des Photodetektorgeräts mit einem IR-Laser mit einer Vorspannung von 0 mit 1550 nm erreicht die Reaktion des Geräts sogar bis zu 1032 nA/mW. Wegen der ausgezeichneten Plasmonen-Resonanz des Oberflächeneffekts der Kupfer/p-IPS-Struktur kann mit der IPS-Struktur außerdem nicht nur die Erkennung der Reaktion der Einfallsphotonen mit einer Energie unterhalb der Energielücke des Siliziums optimiert werden, sondern ebenfalls die einfallenden mittleren Infrarotlichtphotonen (2700 nm) mit einer Energie unterhalb der Schottky-Barriere erkannt werden. Außerdem weist die Kupfer/p-IPS-Struktur die Vorteile des Absorptionsgrads mit extrem breitem Band, der polarisierungsunsensiblen Resonanz und der starken Reaktion auf. Weiter wird der Kupfer/p-Silizium-IPS-Photodetektor mit einem Prozess durch einen Siliziumhalbleiter und einem Lösungsätzvorgang angefertigt. Diese Prozesse sind erwiesen und stabil, wobei keine kostspieligen Ausrüstungen und Materialien verwendet werden müssen. Dementsprechend weisen die angefertigten Photodetektoren ein ausgezeichnetes Potential zum Integrieren in einen siliziumbasierten integrierten Schaltkreis für siliziumbasierte Chips für Detektoren des sichtbaren Infrarots oder Infrarot-Wärmebildkameras auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ai, YS, Chen, H. L., & Yu, C. C. (2014) [0042]
Knight, MW, Sobhani, H., Nordlander, P., & Halas, NJ (2011) geschaffene dreidimensionale Antenne mit tiefen Striemen/Struktur als dünnem Metall. Photodetektion mit aktiven optischen Antennen. Science, 332(6030), 702 -704 [0047]
Lin, Keng-Te, et al, (Lai, YS, Chen, HL, & Yu, CC (2014) [0047]

Claims

Ein Photodetektor (1), umfassend: einen Halbleiter (10) mit mehreren Mikro- bis Nanostrukturen; eine ohmsche Kontaktelektrode (12), mit der ein ohmscher Kontakt mit einer ersten Oberfläche des Halbleiters (10) gebildet wird; eine Metallelektrode (14), mit der ein Schottky-Kontakt mit einer Oberfläche der Mikro- bis Nanostrukturen gebildet wird; wobei die Träger in der Metallelektrode (14) mit dem einfallenden Licht erregt werden, um Elektron-Loch-Paare oder heiße Träger zum Überqueren einer Schottky-Barriere zwischen einer Verbindungsstelle der Metallelektrode (14) und dem Halbleiter (12) zu bilden und somit einen Photostrom zu erzeugen.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 1, wobei jede Mikro- bis Nanostruktur mehrere lineare Längen umfasst, während eine Wellenlänge des einfallenden Lichts eine der linearen Längen entspricht, um eine lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche (LSPR) zu induzieren.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 1, wobei mehrere Mikro- bis Nanostrukturen als umgekehrte Pyramidenstruktur oder aufrechte Pyramidenstrukturen gebildet sind.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 1, wobei das einfallende Licht von einer zweiten Oberfläche des Halbleiters (10) eindringt, um die Metallelektrode (14) mit dem Nachteil der leichten Oxidierung zu verbessern, wobei diese zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche ist.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 1, wobei Photonen mit einer Energie unterhalb der Schottky-Barriere und der Bandlücke des Halbleiters beide erkannt werden können.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 3, wobei das einfallende Licht mit einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 4000 nm die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche in den umgekehrten Pyramidenstrukturen induzieren kann.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 3, wobei das einfallende Licht mit einem Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 10000 nm die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche in den aufrechten Pyramidenstrukturen induzieren kann.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 3, wobei die Periode der umgekehrten Pyramidenstrukturen viermal der Wellenlänge des einfallenden Lichts entspricht.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 3, wobei die lokalisierte Plasmonen-Resonanz der Oberfläche polarisierungsunsensibel ist.
Der Photodetektor (1) nach Anspruch 3, wobei das Absorptionsspektrum des Photodetektors einem Absorptionsverhältnis von höher als 80% im Wellenlängenbereich zwischen 450 nm und 2700 nm entspricht.