基于杂化表面等离子体Fabry-Perot微腔增强型紫外光电探测器的研究

Along with the integration of semiconductor devices is increasing exponentially based on Moore's law, how to design and fabricating UV photodetector with smaller and higher performance is one of the research hotspots and difficulties. This is mainly because both the quantum efficiency and speed of UV photodetectors cannot meet the requirements of practical applications any more when they are in a smaller volume. Moreover, the size of traditional photodetectors can only be scaled down to the order of wavelength by the law of optical diffraction limit. For solving these problems, we put forward a kind of new idea to combine the hybrid surface plasmon and UV photodetectors ingeniously by the Fabry-Perot microcavity, and the device size can be greatly shrunk down to the subwavelength scales. Furthermore, it integrated dual advantage by modulating optical space layer and surface plasmon resonance which could focus signal on the active area with high efficiency. In order to realize an efficient performance enhancement, we used the energy matched Ag quadrupole surface plasmon instead of dipole to further enhance the efficiency of light absorption, and thus it is expected to realize low-dimensional UV photodetectors with high performance.

随着半导体器件的集成度按摩尔定律呈指数性的提高，性能高、体积小紫外探测器的设计和制备成为紫外探测系统进一步研究和开发的热点和难点。这主要是因为随着探测器尺寸不断减小，光电转化效率以及紫外信号的处理速度日益不能够满足各个领域实际应用的需求，此外当传统的光电探测器尺寸减小到亚波长量级时，会发生衍射极限使光电器件难以再度小型化。针对上述难题，本项目提出一种全新构想将杂化金属表面等离激元和光电探测器通过 Fabry-Perot微腔巧妙的集成在一起，不但能有效的将器件尺寸减小到亚波长尺度，而且集成了光学空间层对电场的干涉调制和表面等离激元前向散射的双重优势，从而使光场强度的极值主要分布在有源区。此外，在杂化 Fabry-Perot微腔探测器的光吸收层采用能量更匹配、共振峰更窄的 Ag 表面等离子体四极子共振模式代替传统的偶极子来使其吸收峰与紫外辐射信号更匹配,进而有望实现高性能的低维紫外光电探测器。

针对性能高、体积小紫外探测器的设计和制备成为紫外探测系统进一步研究和开发的热点和难点问题，我们开展了基于杂化金属表面等离激元Fabry-Perot微腔增强型探测器的研究工作。在本项目研究过程中，我们首先采用气相沉积等方法，探索出了几种可控制备低维半导体及其薄膜材料的方法。在此基础上，初步构筑了低维半导体光电探测器件。然后，我们利用小型粒子溅射仪在硒微米管表面制备了 Au、Pt 等纳米粒子，利用Au表面等离子体效应，实现了对于微米管器件的广光谱的响应度增强，最高达到~800%。更进一步，利用 FDTD 模拟的方法，研究了 Au 纳米粒子对于硒微米管光电探测增强的机理，为我们深入开展微腔结构紫外光电探测器的设计和制备工作奠定了坚实的理论基础。接下来，通过综合调控Au纳米阵列的分布和排列在二维层状InSe纳米薄膜上实现了基于金属表面等离子体诱导的双波段光电探测器。在前面研究基础上，我们探索出了一种Fabry-Perot微腔结构紫外探测器，并且在该结构中初步观测到了Fabry-Perot微腔内的光场增强效果，上述研究方法已申请发明专利（201711119912.0）。此外，我们通过静电纺丝结合原子层沉积的方法制备出了一种新型的SnO2@ZnO Ω-微腔结构紫外探测器，通过研究我们发现通过Ω-微腔结构的设计，SnO2@ZnO Ω-微腔结构紫外探测器的紫外可见抑制比高达3个数量级，其响应度要比原来的纯SnO2增强了30倍。上述研究方法可以很容易推广到其他半导体材料探测器的制备中，进而实现高性能小体积光电探测器。在本项目的进行中，上述研究结果共发表国际水平学术论文12篇、申请国家发明专利1 项。与此同时，申请人协助培养博士后2名，博士和硕士研究生 4 名。