基于新型近完美吸波复合结构的增强型窄带双波段光探测器的设计与制备研究

The hybrid system of metal nanostructure with localized surface plasmon resonance and thin semiconductor film shows an attractive application in the field of dual-band optical detection. However, photodetectors based on such hybrid system are difficult to obtain high photoresponse and narrow band spectral detection. Recently, near-perfect absorbers, which combine the function of enhancing the absorption efficiency and regulating the range of the incident spectrum, have shown outstanding advantages in the photoelectric research field. The project intends to provide a new strategy of combining the advantages of both localized surface plasma resonance and near-perfect absorber, to build phototransistors using a novel composite structure based on the hybrid system of metal nanoparticles/metal oxide film and the near-perfect absorber. Take advantage of this new near-perfect absorbing composite structure, the enhanced narrow dual-band optical detection are achieved in the wavelength of UV-visible band. Meantime, in the project, the growth process and microscopic crystallization mechanism of the metal nanoparticles/metal oxide hybrid film are planed to be studied. Also, the working principle and regulation method of the near-perfect absorber are intended to be found. Moreover, the inherent relationship and microscopic mechanism of the near-perfect absorber, the metal nanoparticle/metal oxide hybrid system and the performance of photodetectors are planed to be revealed. The project provides a novel route for developing high-performance dual-band photodetectors.

拥有局域表面等离子体共振效应的纳米金属结构和半导体薄膜杂化结合，在双波段光探测领域具有重要的应用前景。然而，基于该类杂化体系的光探测器件很难实现高的光响应度和窄带探测。近年来，具有增强入射光吸收效率和调控入射光谱范围功能的近完美吸波器，在光电研究领域中显示出突出优势。本项目拟结合局域表面等离子体共振效应和近完美吸波器的优势，构筑一种新型的基于金属纳米颗粒/金属氧化物薄膜杂化体系和近完美吸波器的复合结构，并制备成晶体管型光探测器，实现紫外-可见光波段的增强型窄带双波段光探测。在此基础上，探究金属纳米颗粒/金属氧化物杂化薄膜的生长过程和微观晶化机制，揭示近完美吸波器的工作原理和调控规律，阐明近完美吸波器结构、金属纳米颗粒/金属氧化物薄膜杂化体系与光探测器性能的内在关系与微观机制，为完善高性能的双波段光探测器提供更多思路和理论依据。

多波段高性能光探测，在光通信、光谱分析、火焰预警等领域中扮演着重要的角色。在单器件中实现高响应度、探测波段精准可调的多波段光探测的研究具有重要研究价值。本项目结合近完美吸波器和纳米金属结构在光探测方面的优势，构筑出一种基于金属纳米颗粒/金属氧化物薄膜杂化体系和吸波器的复合结构，并用于制备晶体管型光探测器件。同时本项目还拓展性的研究了基于叠层半导体的晶体管宽带光探测器，以及基于光感晶体管的视觉识别器件。. 本项目研究的光探测器具有优异的性能，双波段光探测中，在360 nm光照条件下，最大光响应度为5.6 A/W，可见光波段对应的光响应度大于0.2 A/W。在宽带光探测器研究中，实现了紫外光到可见光到近红外光的光探测。通过场效应调节抑制暗电流，光电晶体管表现出高归一化检测率。光响应的上升时间和恢复时间达到毫秒级别。在视觉识别器件的研究中，通过电学和光学调控，实现包括短期可塑性、长期可塑性和尖峰率依赖性的人工突触功能。通过模拟进一步构建脉冲神经网络，通过深度学习模拟，尝试用于手写数字分类和识别。. 本项目的研究意义在于，在器件行为上，验证吸波器结构引入策略对光探测器性能的增强与改善，验证了材料选择和能级匹配实现高性能光探测的设想；在工艺方法上，金属氧化物薄膜、吸波器、光探测器的制备工艺完全兼容，适用于大规模集成电路工艺和量产应用；在工作机理研究上，系统地研究金属纳米颗粒/金属氧化物薄膜杂化体系中“热电子”的产生、注入、与传输机理，探究吸波器的光增强和光选择产生机制，阐明近完美吸波器结构、金属纳米颗粒/金属氧化物杂化体系与光探测器性能的内在关联与工作机制。本项目的研究为开发高性能光电探测器提供更多的思路与理论依据。