提升硅基近紅外熱載流子探測(cè)器性能

　　研究背景

　　近紅外光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于光通訊、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感和消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。基于鍺、III-V 族化合物和碲鎘汞等材料的紅外光電探測(cè)具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，工作范圍覆蓋近紅外到中遠(yuǎn)紅外多個(gè)波段。然而這些非硅材料的光電探測(cè)器成本高，且難以和硅驅(qū)動(dòng)電路互聯(lián)集成，難以滿足大規(guī)模、高密度陣列化的應(yīng)用需求。

　　受制于晶格匹配和熱學(xué)匹配等因素，紅外材料與硅異質(zhì)外延或者鍵合的研究面臨一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，如材料及制作成本昂貴、工藝復(fù)雜和穩(wěn)定性差等。鑒于此，全硅材料或硅COMS器件兼容的紅外探測(cè)手段成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究方向。但由于硅無(wú)法直接吸收能量小于其禁帶寬度(1.1 eV)的光子，研究人員提出了亞帶隙光子吸收機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)硅紅外光電探測(cè)。

　　近年來(lái)，隨著納米技術(shù)和等離激元光學(xué)的飛速發(fā)展，金屬納米材料中熱載流子的產(chǎn)生、輸運(yùn)和傳遞等微觀機(jī)理得到了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。目前報(bào)道的硅基等離激元熱載流子探測(cè)器多為金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)的光伏型器件，該類器件利用金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元特性極大增強(qiáng)了光吸收，但其光電響應(yīng)度較低。

　　創(chuàng)新突破

　　暨南大學(xué)陳沁教授和文龍副教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種光電導(dǎo)型熱載流子紅外探測(cè)器。該探測(cè)器基于金屬-硅復(fù)合無(wú)序納米結(jié)構(gòu)，借助金屬無(wú)序結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元效應(yīng)，在硅吸收限外實(shí)現(xiàn)了高效、寬帶的光學(xué)吸收;利用多叉指MSM電極結(jié)構(gòu)獲取光電導(dǎo)增益，進(jìn)而在近紅外波段展現(xiàn)出的光電流響應(yīng)度。

　　該器件是由P型SOI基底上的無(wú)序硅納米孔及覆蓋在納米孔表面的金叉指電極組成的MSM光電導(dǎo)探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)無(wú)電壓偏置時(shí)，兩極金屬熱載流子發(fā)射產(chǎn)生的光生載流子將復(fù)合，光電流為零[圖1(b)]。外加偏壓后，多子空穴將產(chǎn)生定向移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生附加光電流[1(c)]。

　　圖1(a)MSM探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖;(b)零偏壓和(c)外置偏壓下的金-p型硅結(jié)構(gòu)的能帶圖

　　該探測(cè)器的響應(yīng)度如圖2所示。由于硅帶間躍遷響應(yīng)截止波長(zhǎng)在1200 nm左右，故在該波長(zhǎng)處存在著一個(gè)凹谷;無(wú)序金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元效應(yīng)增強(qiáng)了器件光吸收，故在1200 nm之后的光電流響應(yīng)再次提升。

　　寬帶光電響應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示，在8 V偏壓下，該器件在1100-1550 nm波段光電流響應(yīng)度達(dá)到0.26-5.95 A/W，且通過(guò)叉指電極寬度和間距調(diào)控有望得到更大的光電流響應(yīng)度。

　　圖2 器件及平面參考器件在相關(guān)偏壓下的光電流響應(yīng)譜

　　總結(jié)與展望

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用無(wú)序金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元局域熱點(diǎn)效應(yīng)、多叉指 MSM 電極的顯著光電導(dǎo)增益及其優(yōu)異的橫向載流子收集能力可提高器件的光電流響應(yīng)。在未來(lái)的工作中，課題組將探索更多的等離激元結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化空間光場(chǎng)分布和吸收率。

      參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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