基于新型微纳硅结构的可见-近红外波段光电探测器的纳米制造

一维有序硅纳米线阵列结构具有强的陷光能力，对光的吸收受照射角度的影响较小，同时可以吸收小于块体硅禁带宽度(1.1 eV)的光。因此，基于硅纳米线阵列结构的光电探测器可以实现对可见-近红外波段的探测，同时与现代硅半导体工艺具有好的兼容特性，降低探测器制造成本。但是，由于此类纳米结构具有较大的比表面积，如何对硅表面及器件的界面进行有效调控，是实现高灵敏度探测器的核心问题。本研究将发展加工制作硅纳米结构的多种技术平台，获得具有减反与宽光谱吸收特别是红外波段吸收的一维有序硅纳米结构；通过研究硅纳米结构中电荷的产生、输运及复合等物理行为、红外光电探测器的器件结构和工艺优化，对表面/界面实现有效调控，构建基于硅纳米结构的可见-近红外光电探测器件（响应度优于5 A/W）。发展具有自主知识产权的光电材料和器件的低成本制造技术，实现规模化的宽光谱响应的硅光电探测器的批量化纳米制造。

本课题主要进行了硅纳米线的制备、表面结构调控和相关光电探测器的器件构筑表征方面的研究。利用微米小球自组装模板结合金属辅助化学刻蚀方法，成功制备了大面积（4英寸）的硅纳米线阵列，硅线的长度可以实现从0.1μm-50 μm连续可调，硅线之间的距离也可实现从0.5μm-10 μm的调节，制备的硅线阵列结构实现了对可见及近红外波段的光的捕获（反射率小于5%）。对硅纳米结构的表面进行了化学修饰后，减少了悬空键，大幅度降抑制了硅纳米结构的电荷复合，可以实现电荷的有效分离。分别制备了有机-无机和无机-无机杂化的光电子器件，器件水平可以达到目前国际同类器件结构的效率的报道。利用硅纳米线比较好的红外光吸光的特点，在硅纳米结构表面沉积了氧化物半导体如ZnO或高分子材料PEDOT:PSS，实现了光响应度达到0.34 A/W的光电探测器。本研究为开发新型的基于硅纳米结构的光电器件提供了较好的实验基础。