紫外波段局域表面等离激元调控宽禁带半导体光电响应特性的微观机制研究

Ultraviolet (UV) plasmonic effects of metal nanostructures have attracted increasing interests to improve the performance of photodetector based on wide bandgap semiconductor. The key question is how the strong localized enhancing electromagnetic field of the plasmonic affects the photoelectric conversion process. For such localized photoelectric coupling system, the approach of macroscopic measurements commonly used might be difficult to reveal these microscopic mechanisms and also can not directly compare the results with the light near field distribution from the theoretical simulation. Therefore, we desperately need to study the localized optical effects and photoelectric conversion process from the micro-level. Focusing on the interface between the metal nanostructures and wide bandgap semiconductor, our researches use a high spatial resolution UV near field scanning optical microscope (NSOM) and local UV surface photovoltage measurements to probe the plasmon near field distribution for the coupling of the light with metal nanostructures and the local photoelectric response characteristics for the plasmon coupling to the semiconductor. Furthermore, we reveal the microscopic mechanism of interaction between plasmon and electron-hole pairs excitation and separation, and establish the relationship between the local plasmonic effects and the macroscopic device performance. The project will help to deepen the understanding of coupling mechanism between metal nanostructure plasmon and wide bandgap semiconductor, and to lay the foundation on the future design of new high-performance UV detector devices.

利用紫外波段等离激元的亚波长光调控效应，改善宽禁带半导体光电探测的效率、灵敏度等性能，是当前研究热点。其关键问题在于：等离激元如何通过强局域电磁增强场影响光转化为电子空穴对的过程。在这样的纳米尺度光电耦合系统中，通常使用的宏观测量手段难以揭示其微观作用机制，也无法直观与理论模拟近场光分布结果相互对照。因而迫切要求结合宏观和微观层次研究纳米尺度的光学效应和光电转换过程。本项目针对金属纳米结构及周期阵列与宽禁带半导体构成的界面，利用高空间分辨率的紫外近场光学和扫描光电压微观测试方法，研究光和金属纳米结构耦合的等离激元近场分布特性，以及半导体中等离激元参与作用的局域光电响应特性；揭示等离激元影响电子空穴对激发、分离的微观过程和物理机制，建立等离激元亚波长光调控效应和宏观光电响应性能的对应关系。本项目研究有助于加深等离激元与宽禁带半导体耦合机理的理解，为设计新型高性能的紫外探测器件奠定基础。

本项目实现了金属纳米颗粒增强的AlGaN/GaN基MSM探测器的制备，其具有高的探测响应度，紫外和深紫外波长的探测特性，该探测器的制备有望在环境监测，火焰探测，紫外通信等领域得到广泛应用，市场潜力巨大。主要研究内容和成果如下：.1.利用AlGaN/GaN 异质结二维电子气结构，制备出金属-半导体-金属（MSM）结构紫外和深紫外探测器。其中器件5V偏压下，AlGaN在300nm深紫外光波长下显示明显的光电流响应，探测响应截止波长接近330 nm,探测响应达到50 mA/W.在10V偏压下，器件显示AlGaN和GaN两种波长紫外和深紫外探测响应，两种探测响应波长峰位为304 nm和360 nm。其中360 nm波长的响应率达到60 mA/W。.2.基于金属Al纳米结构和阵列的等离激元结构，研究颗粒等离激元模式和阵列形成的阵列耦合模式和GaN基底相互作用。分析了不同纳米结构和周期对光场分布和共振模式的影响。结果显示设计尺寸100 nm的金属铝纳米结构和周期130nm的结构阵列，能够实现波长300 nm和350nm 附近的等离激元共振模式。通过近场分布分析，短波长的峰主要和金属颗粒的结构尺寸相关，属于局域等离激元共振模式，长波长的属于和金属纳米结构周期性相关的衍射增强模式。.3.通过AAO模板掩膜蒸镀剥离方法能够实现大面积的金属铝纳米颗粒阵列。我们基于该结果在AlGaN表面获得了大面积的周期性金属铝颗粒阵列。并且研究了金属铝颗粒阵列和AlGaN/GaN 基MSM探测器的光电响应特性。结果显示相比于没有Al颗粒的普通结构相比，10V偏压下，360 nm峰位的光电响应增强了20倍，而304 nm峰位的探测器响应增强了7倍左右。其增强的后的响应率分别为1.2 A/W和0.6 A/W。探测响应的截至波长分别为380 nm和330 nm。.4.基于独立开发的扫描光电压近场测试设备，研究了GaN上单个铝颗粒在不同光波长照射下表面电势的变化，初步得到了GaN上单个铝颗粒的光电压谱。进一步针对单个铝颗粒，研究光照射下对其电势的影响，分析不同尺寸铝颗粒的等离激元吸收对其电势的变化。其次针对铝颗粒和GaN的耦合体系，研究局域场效应导致的GaN的光电响应增强现象。