2017红外光学在探测器方面取得的进展

文章来源: 人气:1066 更新时间:2020-12-25

近红外光电检测对光谱、夜间监控、红外导引、光通信等应用领域具有重要意义。近年来,CMOS技术的发展使Si基光电子器件得到广泛应用,由于Si自身带隙较大,普通的Si基光电探测器通常无法在超过1200nm的近红外光谱区域有效工作。

透镜,滤光片研发生产.jpg

近红外光电检测对光谱、夜间监控、红外导引、光通信等应用领域具有重要意义。近年来,CMOS技术的发展使Si基光电子器件得到广泛应用,由于Si自身带隙较大,普通的Si基光电探测器通常无法在超过1200nm的近红外光谱区域有效工作。

  为了解决这个问题,科学家们在Si材料表面沉积一层金属薄膜,形成金属-半导体之间的肖特基结,金属中自由电子吸收光子能量后可穿过肖特基势垒,并进入Si材料中形成光电流。这种响应的截止波长由势垒高度决定,从而打破了半导体带隙的限制。在这个依赖热电子发射的光电响应机制下,金属结构对器件的近红外探测性能有较大影响。目前,基于如传输表面等离激元共振(PSPR),局部表面等离激元共振(LSPR)和谐振腔共振等,纳米棒、纳米线、光栅等各种金属纳米结构已被证明可增强热电子光电响应。然而,这类结构的量子效率仍较低,这些精细规则的纳米结构增加了生产工艺的复杂性和生产成本,使其无法实现大规模、低成本制造。

  近日,在低成本高效硅基热电子红外光电探测器方面取得系列进展。科研人员提出了Au纳米颗粒修饰Si金字塔结构的方案,实验证明,他们制备的这些器件的性可与精心设计、成本高昂的Si基近红外光电探测器性能相当,有望应用在大规模热光伏电池和低成本红外检测中。相关研究成果发表在Nanotechnology上。科研人员采用的工艺十分简单,通过使用标准的各向异性化学湿蚀刻法来实现Si基金字塔的构建;在其表面溅射一层Au薄膜;通过快速热退火法形成修饰的金纳米颗粒;在金字塔那面通过磁控溅射沉积ITO薄膜,在另一面通过热蒸发沉积铝膜作为背电极;样品通过铟锡焊接到芯片载体上,完成探测器的制作(图1,2)。他们发现,金字塔表面增强了入射光子与Au纳米颗粒之间的耦合效应,因为金字塔表面减少了背反射光并使光子在Au纳米颗粒内部多次反射,增加了入射光走的距离,Au纳米粒子的引入还使得器件的局部电磁场产生了增强,从而使光子可以被显著吸收,提高了光电转换量子效率。

  研究人员采用了Au纳米颗粒-介质-金反射镜的结构,充分利用无序金属纳米颗粒的宽带高光学吸收和Au/TiO2/Si组成的全向肖特基结,在光学与电学两个方面同时入手提高光电转换的内外量子效率。这种密集的随机热点(hot spot)分布提升了光吸收与热电子发射的效率,光电响应度是目前最高结果之一,硅光电响应截止波长扩展到近2um,展示了有效的近红外硅基光电应用。此外,通过时间分辨的IV正反偏压测试分析,他们剖析了光热电过程中热电子光电效应和光热效应的关系,揭开了前人工作中忽视的热电子光发射过程寄生的光热效应,为表面等离激元增强的热电子发射在光电转换、光催化、光传感应用提供了重要的依据和参考。


相关资讯