表面等离激元具有突破光学衍射极限、局域场增强等特点, 有望代替电子和光子作为信号载体, 综合光学系统的高带宽特性与电子系统的紧凑性, 构建新一代高速、高集成化的光电集成电路。为了有效探测表面等离激元, 基于时域有限差分法提出一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构模型, 其中包括耦合光栅、条形波导以及探测光栅。首先简要阐述了探测结构的工作原理, 并建立了工作在670, 1 310和1 550 nm波段的仿真模型; 同时研究等离激元耦合效率随入射光偏振角度的变化以及等离激元吸收率与波导长度的关系; 最后实验制备了相应的表面等离激元探测结构。结果表明: 表面等离激元的耦合效率与偏振角度成余弦平方关系; 在670 nm波段, 吸收率在波导长度为5 μm的条件下为4.3%, 衰减长度为17.1 μm, 与表面等离激元传播长度的理论值17.5 μm基本吻合; 实验测得的光电流随偏振角度的变化趋势与仿真的吸收率变化趋势一致, 证实了上述模型能够实现对表面等离激元的有效探测。所提出的表面等离激元探测结构模型为将来高速、集成化的新型光电集成电路提供了理论和实验基础。

表面等离激元共振衰减诱导热电子, 因其能量高、分布窄、打破半导体禁带宽度限制等特点被广泛应用于拓展半导体光电转换的响应光谱, 如拓展宽禁带半导体的响应光谱至可见光波段, 拓展硅的响应波段至近红外。此外, 还可以通过调节表面等离激元结构调控响应光谱和实现偏振探测, 在实现硅基近红外光电探测领域具有重要的应用价值。从表面等离激元以及表面等离激元内光电效应的机理出发, 综述了表面等离激元热电子原理在实现硅基近红外光电探测方面的研究进展, 并总结了表面等离激元结构的形貌, 尺寸、分布等因素对热电子的产生(外量子效率)和注入效率(内量子效率)的影响。最后展望了基于表面等离激元结构的硅基肖特基结近红外光电探测的研究方向。

为了解决典型宽禁带半导体光电探测器件的工作波段限制材料禁带宽度的问题, 对基于表面等离激元热电子效应的光电晶体管进行了制备和光电性能研究, 提出一种采用重掺杂的硅片作为背栅极、二氧化硅(SiO2)氧化层作为绝缘层, 且能利用等离激元热电子效应的光电晶体管, 有望实现响应光谱的调控。利用热退火方法在绝缘层表面修饰金纳米颗粒, 并结合射频溅射、物理掩模和真空热蒸镀的方法实现了热电子效应铟镓锌氧化物(IGZO)光电晶体管。器件的光学和电学性能测试结果表明：修饰金纳米颗粒的光电晶体管在658 nm红光入射下产生明显的光电响应, 外加90 V栅极偏压时, 光电流提升约为2.2倍。金纳米颗粒修饰的等离激元热电子结构有效调控了该型晶体管的响应光谱范围, 不受材料禁带宽度的限制, 而且晶体管的背栅调控进一步放大光电流, 提高了器件的量子效率。