基于下一代光探测的偏振敏感表面等离激元增强紫外探测器

UV photodetectors are of great importance in application. However, the traditional UV photodetectors can not meet the new demands from the market, which aim at multifuntional, smart, miniaturized photodetectors. Therefore, the next generation UV photodetectors such as surface plasmon enhanced UV photodetectors have been attracting much attention. But the exact enhancement mechanism to UV photodetectors from surface plasmon is not clear yet. This assigns a severe limit to the development of SP enhanced detectors. In this proposal, from the point of view in device physics of semiconductor based photodetector, through investigating the influences of SP structures on carrier concentration, mobility, internal quantum efficiency, carrier lifetime and response time, the enhancement mechanism will be revealed. Meanwhile, for the urgent need of polarization detection in biological and military application, it is proposed to fabricate an SP structure integrated polarization state resolved UV photodetector. By empolying SP effect based on the metallic wire grating and slit, polarization detection in UV range will be realized, and the modulation rules of extinction ratio and spectral polarization response will be investigated. This proposal is of great significance in developing the theory on SP enhanced photodetectors and fabricating next generation UV photodetectors.

紫外探测器具有重要的应用价值，而传统紫外探测器已经无法满足市场对于探测器多功能化、智能化、小型化的新要求。因此，以表面等离子体光学（Surface Plasmonics）效应增强紫外探测器为代表的下一代紫外探测器开始吸引研究人员的广泛关注。然而表面等离子体光学效应对于紫外探测器的增强机理尚不明确，这严重制约了SP增强型器件的发展。本项目从半导体光电探测器器件物理的角度出发，通过系统研究SP结构对载流子浓度、迁移率、内量子效率、载流子寿命和响应时间的影响规律，揭示SP结构的增强机理。同时，由于偏振探测在生物和军事领域具有重要的应用需求，项目还将研制集成SP结构偏振敏感型紫外探测器，利用金属线光栅和狭缝结构的SP效应实现紫外波段的偏振态探测，同时研究消光比、偏振态响应谱的调控规律。本项目对于发展SP增强型紫外探测器的相关理论，研发高性能的下一代紫外探测器具有重要意义。

为了满足下一代紫外探测器多功能化、智能化、小型化的发展要求，本项目提出了一种基于表面等离激元结构的新型紫外探测器，以提升探测器响应灵敏度和实现偏振敏感探测。项目通过研究不同结构的金属纳米颗粒SP结构增强ZnO基紫外探测器，揭示了金属纳米颗粒SP结构对载流子浓度、载流子迁移率、载流子寿命、响应度增幅和响应时间的影响规律。研究结果显示SP结构可以大幅增加光生载流子浓度，这也是产生响应度增幅的主要原因。载流子迁移率因SP结构的出现有所下降，因此器件暗电流会降低。金属纳米颗粒与半导体之间的界面上为载流子提供了复合中心，故SP结构会减少光生载流子的寿命，缩短器件的响应时间，尤其对于减少下降时间和改善持续光电导现象较为显著。项目通过研究金属材料、结构尺寸对金属线光栅SP结构偏振敏感紫外探测器的消光比、偏振光响应度、偏振光响应光谱的影响机制，实现了光学消光比达到300左右、偏振光响应抑制比约100左右的集成偏振敏感结构新型紫外探测器。从准柱面波理论、表面等离子体波导理论、导模共振理论、类F-P共振理论等角度对金属线光栅SP结构选频和放大过程的机理进行了理论研究和仿真验证。研究了入射角和偏振态对偏振敏感紫外探测器响应性能的影响。研究结果显示探测器的消光比、偏振光响应度、偏振光响应光谱均受到光栅尺寸尤其是光栅周期的显著影响。在偏振光响应光谱中，紫外波段的响应峰与SP共振、导模共振密切相关，其峰位会强烈依赖于光栅尺寸；可见波段的响应峰与类F-P共振联系紧密，其峰位主要取决于金属种类和SP结构的等效折射率。项目研究成果对于阐明SP结构对光电探测器的增强机理具有重要参考价值，为预估SP结构对响应度的增强极限提供依据，为进一步提升响应灵敏度增幅提供思路。金属线光栅SP结构选频和放大过程的机理研究对于优化SP结构集成偏振敏感单元的设计具有重要借鉴意义。项目研究的集成偏振敏感结构新型紫外探测器未来有望在透窗探测和光电制导等国防领域获得应用。