基于表面等离极化激元诱导的多波段光电探测器的制备及性能研究

Along with the developing and changing application environment of photodetection technique, a single-waveband photodetector can hardly meet the practical requirements, especially in the in aviation and space. To enhance the detecting ability, demand for high-dynamic photodetection technique with dual-color or multicolor has become more and more strong. Although dual-color or multicolor photodetectors could be realized by special filtering methods or band engineering theory, epitaxial growth of the film is complex and expensive. Moreover, it still exists the problem of a high dislocation density in the alloy films, which obstructed the performance improvement of these photodetectors. For solving these problems, we will put forward a novel kind of multicolor photodetectors realized by coupling action of dipole and quadrupole plasmon resonances with the excitons in two dimensional semiconductor InSe. In this project, suitable metallic nanostructures will be designed and fabricated to enhance the photocurrent at different wavelengths by surface plasmon resonances and function as a filter. Meanwhile, the transport and amplification of photo-generation carries in Au/InSe interface will be further studied. This project will provide a new approach to realize lowcost and high performance multicolor photodetectors in the theory and practice.

随着光电探测技术应用环境的发展和变化，单波段探测系统很难满足实际应用需求，尤其是在航空航天探测领域。为了提高系统对目标的探测能力，对于具有高动态特性的双波段或者多波段探测技术的需求已日益强烈。目前虽然可以通过特殊的滤波手段或者采用能带工程理论来实现双波段或者多波段光电探测，但是其制备过程需要昂贵的薄膜外延生长设备。此外，在合金薄膜的生长过程中还是面临着缺陷密度高的问题，从而使这类器件的性能难以再度提升。针对上述难题，本项目中拟采用表面等离子体的偶极子和四极子分别和高质量的二维层状半导体硒化铟激子耦合作用的方式来诱导实现双波段或者多波段的光电探测器。在本项目研究中，我们拟通过构筑合理的金属纳米结构阵列使其在不同波段兼具有共振场增强光电流和滤波的双重功能。与此同时，深入研究光生载流子在Au/硒化铟界面的倍增及输运机制，为低成本、高性能的多波段光电探测器的制备提供更加完善的理论依据和实现途径。

当今工作在紫外到红外波段范围的多波段光电探测器已经广泛应用于成像技术、光通讯、光学制导技术以及环境监测等诸多领域，因此这一类型光电探测器的进一步研制和开发引起了科研人员的高度重视。目前实现低成本、高性能的双波段光电探测器的制备成为这一类光电探测器进一步研制和开发的重点和难点。基于此我们首先采用特殊形貌的金纳米阵列采用金属表面等离子体共振的方式来增强二维层状InSe半导体在特定波长的光吸收和光电流。在此基础上，我们通过在二维层状InSe纳米片上构筑Schottky结和金属纳米阵列的方式制备出了具有双波段响应峰值的光电探测器。该双波段光电探测器和原有的纯InSe器件相比，其光谱响应曲线新增加了位于可见-近红外波段的特征峰。结合理论计算结果，我们得出这个新的光谱响应峰来源于金纳米粒子的四极子和InSe半导体中的激子相互作用产生的光电流增强。值得指出的是，在波长为685 nm处器件的响应度由于金属纳米阵列的引入而产生了约为1200%的增强效果。LDR也由43 dB增加到64 dB。这一数值可以和目前报道的InGaAs基相比拟（66 dB）。器件的探测度（D*）也由∼1011 增加到 ∼1012 Jones。此外，由于该器件的有源区两端形成了非常好的非对称肖特基接触，该器件在无外加偏压下位365和685 nm处分别可获得高达369 和244 mA/W的响应度。这些研究成果将为发展基于二维材料的高性能多波段光电探测器提供一种新的途径，进而进一步增强光电探测器的复杂测试环境下对探测目标的甄别能力。在本项目的执行探索过程中，我们共发表于本项目相关的科技论文9篇，申请发明专利1项，申请人协助培养毕业硕士研究生1名。