·中国光学期刊网首页  ·专题首页

2020年第11期封面故事:暨南大学提升硅基近红外热载流子探测器性能

2020-11-19

分享:

暨南大学提升硅基近红外热载流子探测器性能

封面文章|唐恝,李家祥,陈沁,文龙. 表面等离激元增强硅基近红外光电导探测器[J]. 中国激光, 2020, 47(11): 1113002

撰稿人:唐恝 李家祥 陈沁 文龙

研究背景

近红外光电探测器广泛应用于光通讯、环境监测、遥感和消费电子等多个领域。基于锗、III-V 族化合物和碲镉汞等材料的红外光电探测具有较高的光电转换效率,工作范围覆盖近红外到中远红外多个波段。然而这些非硅材料的光电探测器成本高,且难以和硅驱动电路互联集成,难以满足大规模、高密度阵列化的应用需求。

受制于晶格匹配和热学匹配等因素,红外材料与硅异质外延或者键合的研究面临一系列的技术挑战,如材料及制作成本昂贵、工艺复杂和稳定性差等。鉴于此,全硅材料或硅COMS器件兼容的红外探测手段成为相关领域的重要研究方向。但由于硅无法直接吸收能量小于其禁带宽度(1.1 eV)的光子,研究人员提出了亚带隙光子吸收机制来实现硅红外光电探测。

近年来,随着纳米技术和等离激元光学的飞速发展,金属纳米材料中热载流子的产生、输运和传递等微观机理得到了进一步认识。目前报道的硅基等离激元热载流子探测器多为金属-半导体肖特基结的光伏型器件,该类器件利用金属纳米结构的表面等离激元特性极大增强了光吸收,但其光电响应度较低。

创新突破

暨南大学陈沁教授和文龙副教授研究团队提出了一种光电导型热载流子红外探测器。该探测器基于金属-硅复合无序纳米结构,借助金属无序结构的局域表面等离激元效应,在硅吸收限外实现了高效、宽带的光学吸收;利用多叉指MSM电极结构获取光电导增益,进而在近红外波段展现出极高的光电流响应度。

该器件是由P型SOI基底上的无序硅纳米孔及覆盖在纳米孔表面的金叉指电极组成的MSM光电导探测器,其结构如图1所示。当无电压偏置时,两极金属热载流子发射产生的光生载流子将复合,光电流为零[图1(b)]。外加偏压后,多子空穴将产生定向移动,进而产生附加光电流[1(c)]。

图1(a)MSM探测器结构示意图;(b)零偏压和(c)外置偏压下的金-p型硅结构的能带图

该探测器的响应度如图2所示。由于硅带间跃迁响应截止波长在1200 nm左右,故在该波长处存在着一个凹谷;无序金属纳米结构的局域表面等离激元效应增强了器件光吸收,故在1200 nm之后的光电流响应再次提升。

宽带光电响应的数据显示,在8 V偏压下,该器件在1100-1550 nm波段光电流响应度达到0.26-5.95 A/W,且通过叉指电极宽度和间距调控有望得到更大的光电流响应度。

图2 器件及平面参考器件在相关偏压下的光电流响应谱

总结与展望

实验结果表明,利用无序金属纳米结构的表面等离激元局域热点效应、多叉指 MSM 电极的显著光电导增益及其优异的横向载流子收集能力可提高器件的光电流响应。在未来的工作中,课题组将探索更多的等离激元结构,进一步优化空间光场分布和吸收率。

课题组介绍:

暨南大学陈沁教授和文龙副教授研究团队,近年来致力于将纳米技术融入到传统光学和光电子学研究中,利用最新纳米技术解决光子与光电子器件小型化和集成化过程中的瓶颈问题,具体涉及微型激光光源、微型光电探测器、微型电光调制器、微型光传感器以及相关应用系统开发。团队目前主持国家重点研发计划项目课题2项、国家自然科学基金面上项目3项等,同时还承担华为公司等企业研发课题。研发出电读出式的光学传感芯片、宽光谱硅基探测芯片、微流一体化集成光学共振传感芯片等,部分成果入选中国光学十大进展(2017)。