表面等离激元增强热电子发射的光电转换基础研究

Photoelectric conversion is a key factor in information optoelectronic, optical energy, display/imaging and photocatalysis. Hot-electron based photoelectric conversion is not limited by the bandgap and can be realized in a simple device. In particular, when it is combined with nanophotonics, there are abundant interesting fundamental physics questions to study, and thus surface plasmon polariton enhanced hot-electron device become a hot spot nowadays. Aiming to improve the near infrared photoelectric conversion efficiency on silicon platform for the applications in information optoelectronics and optical energy, and also try to bridge the fundamental research of surface plasmon and the practical application by solving its intrinsic loss issue, in this project we will conduct research on surface plasmon polariton enhanced hot-electron photoelectric conversion and the corresponding silicon-based near infrared photodetector. By combining the optical manipulation capability at a nanoscale and the high light absorption property of surface plasmon polariton, together with the omni-schottky junction diode design, we can address the two key limiting factors of hot-electron photoelectric conversion, i.e. weak light absorption and low hot-electron emission/collection probability. Furthermore, we will investigate the fundamental photoelectric mechanisms and differentiate the hot-electron photoelectric and the parasitic photothermal responses. We will also investigate the plasmonic properties of heavily-doped metal oxides and the possibility to tune the hot-electron distribution with optical excitation. By conducting the above research including fundamental mechanism, material and device physics to improve the hot-electron photoelectric conversion, we aim to achieve high performance silicon near infrared photodetector and the key technologies.

光电转换是信息光电、光能源、显示成像和光催化等的核心问题。热电子基的光电转换不受禁带限制，器件制备简单，尤其与纳米光学结合具有丰富的物理内涵，成为近来的研究热点。本项目针对提升硅基近红外光电转换在信息光电和光能源应用中的需求，以及表面等离激元光学理论向实用发展的问题，拟开展表面等离激元增强热电子发射的光电转换基础问题和相应硅基近红外探测器的研究。利用表面等离激元光学在亚波长尺度下对光场调控的能力及其通常被作为损耗缺点的高光吸收特性，结合亚波长尺度全向肖特基结二极管的设计，解决热电子发射面临的弱光吸收和低电子反射/收集几率两个关键问题。研究区分热电子光电转换与寄生的光热效应导致的电响应，同时探索高掺金属氧化物材料的表面等离激元光学特性，通过生长工艺调控其在光激发下的热电子分布。由此从机制、材料和器件物理等层面挖掘热电子光电响应提升的能力，最终获得高性能硅基热电子近红外光电转换技术及相关器件。

红外光电探测器是光通信/光信息处理的核心器件，也是光学传感检测的关键感知部件，遍布工业、农业、生物医药和通讯等几乎所有产业以及国防应用。InGaAs和HgCdTe等化合物红外探测器价格昂贵，而且和CMOS平台不兼容，限制了其广泛应用。传统硅探测器受限于硅材料能带结构无法工作在比1100nm更长的波段。近年来硅基热电子红外探测技术引起了广泛关注，通过热电子机制的光电转换使得硅基探测器的截止波长延伸到近2um，具有重要的潜在价值。然而，目前硅基热电子探测器量子效率很低。本项目开展表面等离激元增强硅基热电子红外探测技术的研究，主要创新思想是通过构建金属-硅纳米异质结构来产生表面等离子体共振，从而增强光吸收与热电子发射效率。通过本项目研究，我们掌握了不同金属和非金属表面等离激元材料在激发态下热电子分布的规律，以及不同材料对光学共振的影响，并掌握了不同类表面等离激元材料的制备技术；开发出制备大面积无序金纳米结构和金纳米光栅结构的工艺，并实验获得了95%以上的峰值光吸收；研制出基于硅-金纳米异质结构的光伏型和光电导型红外探测器，其中光伏型在1100nm响应度达到55mA/W，光电导型在1500nm响应度达到260mA/W，并发展了时间分辨的偏压下光电响应表征技术，观察到短响应时间(<50ms)的热电子光电流信号和长响应时间（>10s）的热效应光电流信号，发现两者的幅值相当。我们的研究成果有助于热电子探测领域的同行对不同表面等离激元材料体系的器件应用潜力有了更系统深入的认识；为提高热电子发射效率提供了可参考的设计准则；为评估热电子探测器件的量子效率提供了参考数据；尤其实验上直接区分了通常耦合在一起的分别与热电子和热效应相关的光电流，为同行理解热电子探测器的器件特性提供了方法。项目研究成果共发表学术论文8篇（均已标注本项目资助），其中SCI检索论文7篇，EI检索论文1篇；申请中国发明专利6项。