提升硅基近紅外熱載流子探測器性能

　　研究背景

　　近紅外光電探測器廣泛應用于光通訊、環境監測、遙感和消費電子等多個領域。基于鍺、III-V 族化合物和碲鎘汞等材料的紅外光電探測具有較高的光電轉換效率，工作范圍覆蓋近紅外到中遠紅外多個波段。然而這些非硅材料的光電探測器成本高，且難以和硅驅動電路互聯集成，難以滿足大規模、高密度陣列化的應用需求。

　　受制于晶格匹配和熱學匹配等因素，紅外材料與硅異質外延或者鍵合的研究面臨一系列的技術挑戰，如材料及制作成本昂貴、工藝復雜和穩定性差等。鑒于此，全硅材料或硅COMS器件兼容的紅外探測手段成為相關領域的重要研究方向。但由于硅無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制來實現硅紅外光電探測。

　　近年來，隨著納米技術和等離激元光學的飛速發展，金屬納米材料中熱載流子的產生、輸運和傳遞等微觀機理得到了進一步認識。目前報道的硅基等離激元熱載流子探測器多為金屬-半導體肖特基結的光伏型器件，該類器件利用金屬納米結構的表面等離激元特性極大增強了光吸收，但其光電響應度較低。

　　創新突破

　　暨南大學陳沁教授和文龍副教授研究團隊提出了一種光電導型熱載流子紅外探測器。該探測器基于金屬-硅復合無序納米結構，借助金屬無序結構的局域表面等離激元效應，在硅吸收限外實現了高效、寬帶的光學吸收;利用多叉指MSM電極結構獲取光電導增益，進而在近紅外波段展現出的光電流響應度。

　　該器件是由P型SOI基底上的無序硅納米孔及覆蓋在納米孔表面的金叉指電極組成的MSM光電導探測器，其結構如圖1所示。當無電壓偏置時，兩極金屬熱載流子發射產生的光生載流子將復合，光電流為零[圖1(b)]。外加偏壓后，多子空穴將產生定向移動，進而產生附加光電流[1(c)]。

　　圖1(a)MSM探測器結構示意圖;(b)零偏壓和(c)外置偏壓下的金-p型硅結構的能帶圖

　　該探測器的響應度如圖2所示。由于硅帶間躍遷響應截止波長在1200 nm左右，故在該波長處存在著一個凹谷;無序金屬納米結構的局域表面等離激元效應增強了器件光吸收，故在1200 nm之后的光電流響應再次提升。

　　寬帶光電響應的數據顯示，在8 V偏壓下，該器件在1100-1550 nm波段光電流響應度達到0.26-5.95 A/W，且通過叉指電極寬度和間距調控有望得到更大的光電流響應度。

　　圖2 器件及平面參考器件在相關偏壓下的光電流響應譜

　　總結與展望

　　實驗結果表明，利用無序金屬納米結構的表面等離激元局域熱點效應、多叉指 MSM 電極的顯著光電導增益及其優異的橫向載流子收集能力可提高器件的光電流響應。在未來的工作中，課題組將探索更多的等離激元結構，進一步優化空間光場分布和吸收率。

      參考文獻： 中國光學期刊網

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