一种面向空间光信息处理的微纳混维光电探测器及其应用

本发明属于光子信息，具体涉及一种面向空间光信息处理的微纳混维光电探测器及其应用。

背景技术：

1、随着虚拟现实和增强现实技术领域的飞速发展，空间光计算、头戴式光传感及光信息处理技术等已成为当今科技领域的研究热点。此类技术利用光电探测器将入射光子转换为光电子，以实现对光学信号的传感、处理等工作。随着相关应用中器件规模、应用场景复杂度的增加，对片上光电探测器的集成度、响应度、高速响应、损耗等性能的要求愈发提高。而传统的光电探测器基于si、ge、iii-v族等半导体块材，受到界面质量、掺杂特性的限制，难以在尺寸、信噪比方面得到进一步提升，往往存在灵敏度低、响应速度慢的问题，无法满足现代高速、高精度、高密度的光信息处理需求。

2、近年来，一类厚度仅为单分子层大小的二维半导体材料被发现有望突破探测器的性能瓶颈。首先，由于二维材料半导体在生长过程中具有良好的晶体性、界面缺陷密度较低，其载流子特性、界面平整度均优于块材半导体，且具有极高的响应带宽。在施加偏置电压时，由于极小的厚度，二维材料可以获得极大的内建电场，从而提高光生载流子的收集效率并诱发倍增效应。同时，基于二维材料还开发出了一系列适配传统硅光工艺的微纳加工技术，经过转移可形成较为理想的异质结，使得其集成化、规模化生产成为可能。利用该类技术，将块材硅锗半导体与二维半导体形成混维异质结光电探测器，可以充分发挥二者的各自优势。如将带隙为1.3ev的二维mos2与带隙为0.7ev的p型ge结合，可以扩展二者在可见及近红外波段的吸收带宽，并同时利用二维mos2引起载流子倍增、提高光响应度。

3、尽管如此，此类混维异质结的光学吸收率依然有限，尤其是对于厚度小于1μm的薄膜结构，工作波长吸收率难以超过50％，这远未能满足集成光电子等场景的应用需求。表面等离激元效应是提高薄膜吸收率的一种有效手段。该效应通过在薄膜表面增加金属纳米结构，由金属表面自由电子与光子共振诱发，可改变入射光子的传播路径，在优化后减少反射并增加薄膜的光吸收率，从而可有效提高探测器的响应度。此外，表面等离激元还可激发高能量的热电子，以载流子注入的形式贡献部分光电流。

4、公布号为cn114899253a和cn114551613a的中国发明专利申请提出了利用表面等离激元结构，将mos2、mose2等二维材料在可见波段的最高吸收率提高至90％以上。然而，由于表面等离激元的共振效应仅在极窄的波长范围内有效，上述基于二维材料和表面等离激元结构的专利无法同时实现可见波段和光通信波段的宽谱高吸收率，这对应用设备的集成度提出了极大挑战。

技术实现思路

1、本发明提供了一种面向空间光信息处理的微纳混维光电探测器，该微纳混维光电探测器能够在可见波段和光通信波段实现高响应度探测。

2、本发明提供了一种面向空间光信息处理的微纳混维光电探测器，包括：

3、衬底；

4、块材器件层，所述块材器件层位于衬底上；

5、二维材料器件层，所述二维材料器件层位于块材器件层上，用于与块材器件层形成异质pn结；本发明通过掺杂和能级错位，形成异质pn结，在吸收光的同时，提高光生载流子收集效率；

6、电极，所述电极分别位于块材器件层和二维材料器件层上，用于向异质pn结施加反向偏置电压并收集光生载流子；

7、等离激元超构表面，所述等离激元超构表面位于二维材料器件层上，且不与电极接触，所述等离激元超构表面用于透射可见近红外光。

8、本发明采用了块材半导体与二维tmds半导体的异质集成，形成了一种新型的光电探测结构，这种结构同时利用了块材半导体卓越的载流子迁移特性、较宽的光谱响应范围，以及二维tmd材料薄至单分子层的厚度和极高的内场强度，从而显著提高了探测器在可见和光通信两个波段的响应度和响应速度。同时，本发明还通过精细的微纳尺寸设计，优化探测器的结构参数，降低了器件的等效电容和等效电阻，进一步提高了高速响应带宽。这种设计使得探测器能够迅速响应光信号的变化，满足高速光信息处理的需求。

9、本发明利用金属纳米结构阵列与入射光耦合产生表面等离激元共振，大大增加了半导体器件层的光吸收率，特别是显著提高了二维材料器件层在共振波段的吸收率。这使得本发明提供的亚微米级厚度的半导体器件层在具有高速传输光生载流子能力的同时，也能够吸收足量的光子，提高探测器的响应度。

10、本发明的探测器能够同时工作于可见光波段和近红外o波段与c波段，拓宽了探测器的应用范围。其中，具体来说，可见波段的光电响应主要用于日照光强探测、视觉感知等功能，近红外波段主要用于信息交互和人脸识别等功能。

11、本发明通过优化器件的结构参数如电极间距和材料厚度等，实现高速响应特性，包括：设定目标响应带宽，根据块材器件层载流子饱和迁移率，设计所述块材器件层的最大厚度，以及根据半导体器件层(块材器件层和二维材料器件层构成的半导体器件层)的等效介电常数和电极间距，通过电容-电阻时间常数计算，设计最大器件面积和电极面积。

12、进一步的，所述等离激元超构表面包括金属纳米阵列，所述金属纳米阵列包括周期性排列的金属纳米单元；

13、所述金属纳米单元的厚度h为50nm-250nm，截面边长w为100nm-800nm，相邻金属纳米单元中心的间距p为300nm-1500nm，且p大于w。

14、本发明通过金属纳米阵列与入射光耦合产生表面等离激元共振，形成共振吸收增强模式以增加半导体器件层的吸收。并通过基于衬底结构和材料、半导体器件层的厚度和材料、减反介质层的材料以及金属纳米单元的材料和形状设定，通过有限元模拟计算得到金属纳米结构阵列的尺寸、周期和减反介质层的厚度，使得所述等离激元超构表面对可见至近红外波段的设定波长的反射率接近0，并最大化吸收率。

15、通过设定合适的金属纳米结构阵列的尺寸和间距，使得金属纳米结构阵列下方的半导体器件层对选定的可见和近红外光的光吸收率达到70％以上。

16、进一步的，所述金属纳米结构的形状为长方体、球体或圆柱体。优选的，所述金属纳米颗粒的形状为截面为正方形的长方体，该形状的金属纳米结构拥有更强的电场振荡。

17、进一步的，所述等离激元超构表面还包括减反射介质层，所述减反射介质层位于二维材料器件层上，所述金属纳米阵列位于减反射介质层内部。所述减反介质层可通过沉积、匀涂等方式形成于所述半导体器件层和所述金属纳米结构阵列上方，用于减少入射光的反射。

18、进一步的，所述金属纳米结构阵列的材料为ag、au、tin、ito中的一种或多种。所述材料能够较好地吸收可见和近红外的入射光。优选的，所述金属纳米结构材料为ag，可以在近红外波段激发较好的表面等离激元振荡。

19、进一步的，所述减反介质层的材料包括si3n4、sio2、al2o3、ito、izo、tio2、pmma等光学介质材料。

20、进一步的，所述块材器件层可以生长于所述衬底之上，也可通过对半导体衬底局部刻蚀形成。所述块材器件层的厚度为亚微米级。通过计算得到块材器件层的厚度，使得探测器件的高速响应带宽达到40ghz以上。

21、进一步的，所述块材器件层的材料为iv族、iii-v族、ii-vi族半导体材料的一种或几种组合。所述块材器件层的禁带宽度小于入射光子能量。

22、进一步的，所述块材器件层的材料为ge、gaas、inp、ingaas、gasb、inas、insb中的一种或多种组合。

23、进一步的，所述块材器件层为p型掺杂的块材器件层或n型掺杂的块材器件层，其中，所述p型掺杂的块材器件层内掺杂的受体为b或al，所述n型掺杂的块材器件层内掺杂的供体为n、p或as。

24、进一步的，所述二维材料器件层为mos2、mose2、wse2、mote2等过渡金属硫族化合物(tmds)中的一种或几种组合。

25、进一步的，所述二维材料器件层为单分子层或由多层材料通过范德华堆叠形成，层数在5层以内。所述二维材料器件层可通过化学气相沉积、范德华转移等方法中的一种或多种方法加工形成。

26、进一步的，所述电极位于等离激元超构表面外；所述电极均为低电阻率的导电材料，所述导电材料为au、ag、pt、ti、cr、cu、ni、tin、a-si、ito中的一种或多种。

27、进一步的，所述电极与所述半导体材料层形成欧姆接触或低结深的肖特基接触，以保证在低偏置电压条件下可以工作；所述正负电极通过外部电极与系统进行电连接。

28、进一步的，所述衬底为si、soi、ge、sio2中的一种或几种组合。该衬底材料适宜生长半导体块材薄膜。优选的，所述衬底选用soi材料，其埋氧层有助于与所述半导体器件层和减反介质层形成法布里-珀罗谐振腔，以进一步提高吸收。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、本发明通过块材器件层和二维材料器件层形成的异质pn结，使得本发明提供的探测器能够实现可见波段和光通信波段的检测，同时利用二维材料器件层内较强的内场强度，较为容易的诱导载流子发生雪崩离子化，从而降低损耗，提高响应度，由于块材器件层较厚且载流子迁移率较强，从而能够大量吸收且较少损耗光生载流子，并将吸收的光生载流子传输出去，从而提升响应度；本发明利用等离激元超构表面能够大量透射可见近红外光从而大幅提升对可见光波段和近红外波段的探测响应度。

31、本发明提供的微纳探测器响应速度大于40ghz，器件单元截面宽度d小于5μm，充分满足了现代光电技术的高要求。由于探测器尺寸小，因此可以进行片上的大规模集成，便于集成到各类穿戴式设备中。其微型化的设计也有助于降低能耗和提高设备的便携性，具有广泛的应用前景。它可以作为光电反馈元件，实时监控显示画面的亮度和色彩；也可以作为信息交互的接口，实现高速、准确的数据传输。此发明可以同时实现空间光计算、头戴式光信息处理和光感知等多种功能，并在生物医学成像、环境监测等领域也有望发挥重要作用。