基于光子-表面等离激元耦合原理的窄带光电探测器中的关键问题研究

Own to the function of spectral resolution, Narrowband photodetectors(PDs) are widely applied in the field of surveillance, medical imaging, and environmental monitoring. But, current commercial narrow-band PDs are mainly consist of broadband PD and bandpass optical filters, those filter not only increase the photodetector cost, but also limit the pixel density and responsivity of the imaging system. Therefore, this project provide a new method to realize the perfect narrow-band light absorption and high response narrowband photodetection by using photonic-plasmon coupling principle in the metal nanostructure arrays/semiconductor layer composite structure. On the basis of analyzing the mode coupling principle in the composites, we design different kinds of narrowband absorber and study the influence of the geometric parameters and materials properties on the optical and photoresponse properties and the background mechanisms, Finally，we design, fabricate, characteristic the metallic nanostructure/semiconductor-based nanorrow-band absorber and explore its application in color-filter free PDs. The launch of this project will provides theoretical bases and experimental instructions for the application of metal/semicondutor-based narrowband perfect absorber in color filter-free narrowband PDs.

窄带光电探测器因其光谱分辨功能被广泛用于安全监控，医疗成像，环境监测等诸多领域。目前窄带探测器主要是由宽波段探测器和滤色片组成，这些滤色片不仅增加了成像器件的成本，同时还又降低了器件的响应度和像素密度。本项目提出利用金属纳米结构阵列/半导体层复合结构中的光子-等离激元耦合原理来实现完美窄带光吸收和高响应度的无滤色片型窄带光电探测。我们首先在研究金属纳米结构支持的等离激元共振模式与半导体层支持的光学波导模式之间的耦合机制的基础上，建立复合结构中的金属纳米结构阵列与半导体结构，材料参数对于复合结构的窄带吸收特性以及光电响应特性的影响模型；进而优化设计、制备、表征基于金属纳米结构/半导体复合的窄带完美吸收结构，并探索其在无滤色片型窄带光电探测器中的应用。本项目的开展将为应用窄带完美吸收结构实现无滤色片型窄带光电探测器提供理论基础和实验指导。

窄带光电探测器因其光谱分辨功能被广泛用于安全监控，医疗成像，环境监测等诸多领域。目前窄带探测器主要是由宽波段探测器和滤色片组成，这些滤色片不仅增加了成像器件的成本，同时还又降低了器件的响应度和像素密度。本项目提出利用金属纳米结构阵列/半导体层复合结构中的光子-等离激元耦合原理来实现完美窄带光吸收和高响应度的无滤色片型窄带光电探测。主要开展了以下几项工作：（1）首先设计了一种基于等离激元模式与光学波导模式耦合效应的多波段窄带完美吸收体（半高宽小于8nm，吸收率超过95%），详细研究了结构参数变化对于等离激元模式与光学波导模式的耦合强度以及吸收光谱半高宽的影响。（2）设计了一种基于银光栅与多层介质层复合结构的可见光窄带滤波器，滤波波段可以通过改变结构参数调节，透射率均超过70%，半高宽小于20nm，窄带透射的机制主要是由等离激元模式与光谐振腔模式的耦合引起的。（3）研究了金薄膜覆盖的硅基C型圆环结构中的磁环偶极子模式对于整体结构的吸收特性的影响，发现磁环偶极子模式不仅能够增强整体结构的近红外波段光吸收，同时其较大的局域场增强因子可以显著提高热电子的激发以及转换效率。（4）利用电子束光刻工艺制备了基于纳米金属圆盘阵列/二氧化硅/硅复合结构的光谱分辨探测器，相比于无介质层的器件，所提器件的响应峰值半高宽明显较窄，主要原因就是纳米阵列的等离激元模式与介质层内的谐振腔模式发生耦合，此外还详细研究了纳米圆盘阵列，二氧化硅层厚度对于器件吸收光谱以及相应光谱的影响；相关研究结果对于后期利用光子-等离激元耦合效应实现窄带光谱分辨探测器具有重要的理论与实验借鉴意义。