金属－介质－金属平面隧穿结热电子光探测器

Hot-electron photodetectors can overcome the drawback of conventional silicon-based photodetectors that the working frequency band is limited by the band gap. Planar hot-electron photodetectors have the advantages of low cost and easy preparation. In practice, hot-electron photodetectors suffer from the low internal quantum efficiency, generally less than 1%. It is mainly because that the hot electrons with energy below the barrier cannot cross the barrier and be collected. Preliminary study shows that the hot electrons with energy below barrier can pass over the barrier and be collected with some probability when reducing the barrier width. The project proposes planar tunneling hot-electron photodetectors based on metal-dielectric-metal structure. Utilizing the hot electrons with energy below barrier, the collection efficiency and internal quantum efficiency of the device can be enhanced. The influences of barrier width, effective mass, and hot electron lifetime on the tunneling efficiency are investigated. Meanwhile, the back and forth reflection of hot electrons in the dielectric layer is further researched. The analysis of dynamic process crossing the barrier for hot electrons with different energies provide clues to further improve performances of devices.

热电子光探测器能够克服传统硅基光探测器工作波段受禁带宽度限制的不足。平面热电子光探测器具有易制备和成本低的优点。实践中，热电子光探测器的内量子效率很低，一般小于1%。这主要是因为能量低于势垒高度的热电子不能越过势垒被收集。前期研究发现，减小势垒宽度，低于势垒高度的热电子仍有一定概率越过势垒被收集。本课题提出金属－介质－金属平面隧穿结热电子光探测器。通过收集低于势垒高度的热电子，光探测器能提高收集效率进而提高内量子效率。课题研究势垒宽度，电子有效质量和热电子寿命对隧穿效率的影响。同时，进一步研究能量高于势垒高度的热电子在介质层中的来回反射。通过对不同能量热电子越过势垒的动力学过程的分析为进一步改善光探测器的性能提供线索。

近年来，抽取金属中光激发的热电子引起越来越多的兴趣。就热电子光探测而言，器件在外电路的帮助下，可以收集因光吸收产生的热电子从而将光信号转换成光电流。一般而言，热电子光探测器具有亚禁带探测、可调的工作波长和超快响应时间的优点。但是，器件的实际应用受到极低量子效率（一般小于1%）的困扰。本项目目的在于提高器件性能，提出利用热电子在金属-介质-金属平面结中的隧穿效应，收集能量低于势垒高度的热电子，从而提高器件的量子效率。在实际研究过程中，我们构建了基于薛定谔方程的热电子动力学模型，详细分析了隧穿效应和器件性能之间的内在联系。另外，提出了基于光学塔姆态的平面结热电子光传感器，打破了强烈光学吸收和良好热电子输运之间的矛盾。光电研究表明，器件的响应度高达2.35 mA/W。在研究过程中，还利用金属-介质-金属平面结设计了热电子光学传感器。与一般的热电子光学传感器不同，这样的设计使得电学灵敏度可以被金属电极之间的施加的电压所调控。我们发现，与零偏压情况相比，器件的性能在1 V偏压下，性能提高了一倍。项目的执行促进了热电子光探测技术的发展。