金/硅光栅热电子光探测器的光电性能研究

Narrowband near infrared photodetectors have important applications in the fields of military and civilian. Most of the narrowband near-infrared photodetectors are realized by combining broadband photodetectors with bandpass filters, however these photodetectors suffer from the signal loss and the complicated optical system design and integration of the filters. Silicon based narrowband hot-electron photodetectoris one kind of new Narrowband photodetectors proposed in recent years, which have short response time and tunable response wavelength, but the drawback of low responsivity restricts its practical applications. This project intends to promote the responsivity of photodetectors by increasing the hot-electron generation and decreasing the Schottky barrier. We fabricate the wavelike and stripslike Au/Si rasters to form the photodetectors, research the influence of the raster shape on the surface plasmon resonance mode and the generation of the hot-electron. We insert a metal interlayer in the Au/Si interfaces, research the influence of different metal interlayers on the height of the Schottky barrier andresponsivity of photodetectors. Finally, the responsivity of photodetectors will be greatly improved by right-designing shape of the raster and the proper metal interlayer.

窄波段近红外光探测器在民用、军事等方面有重要的应用。目前，大多数窄波段光探测器是通过在宽波段光探测器上附加滤波片来实现窄波段探测，但是滤波片的光学系统设计和集成较为复杂并且会造成一定的光信号损耗。. 硅基热电子光探测器是近几年提出的一种新的窄波段光探测器，它具有响应时间短、响应区间可调等优点，然而响应度低的问题制约了其实际应用 。本项目拟通过增加热电子产生效率和降低肖特基势垒高度两条途径来增加器件的光响应度，采用波浪状、条状Au/Si光栅作为光探测器件，研究光栅形状对光栅表面等离子体共振模式以及热电子产生效率的影响，在Au/Si界面加入夹层金属层，研究不同金属夹层对器件肖特基势垒高度以及器件光响应度的影响，最终通过选择合适的光栅形状和金属夹层，使器件的光响应度大幅度提升。

普通半导体光电探测器的响应光谱受限于半导体的带隙，只能探测能量大于带隙的光。金属的等离共振热电子效应能够通过表面等离共振实现光电转换，且响应光谱可调，因而可以对普通半导体光电探测器的探测光谱范围进行拓展。基于此，本项目围绕孔阵列银/氧化钛热电子光电探测器开展工作，主要研究内容包括以下几个部分：.首先，本项目制备了孔阵列银/氧化钛热电子探测器，借助于孔阵列银膜的等离共振热电子效应，将氧化钛基探测器的光响应区间从紫外光区拓展到了可见近红外光区，为拓展半导体光电探测器的工作波长提供借鉴和参考。该探测器具有高响应度4mA/W、高探测率9.8 × 1010 cmHz1/2/W（450 nm波长）以及快的光响应速度，其光响应上升和下降时间分别为112 μs和24 μs，在光通信等领域有潜在应用价值。.其次，研究了银/氧化钛肖特基结的势垒调控方法，实现了肖特基势垒高度的实时调控和肖特基-欧姆接触的可逆转变，势垒的降低可以有效增加器件的光响应度。并且，基于氧化钛的表面氧吸附态和表面氧空位态对上述转变给出了合理解释，该研究为异质结的能带调控提供了新的思路。.进一步地，基于银/氧化钛的光控肖特基势垒高度的特性，首次制备出了全光输入的光电晶体管，通过紫外光可以控制近红外光的光生电流，实现上百倍的增长，开拓了用光来增益光电探测器的新方法。.最后，我们研究了孔阵列银膜的等离共振特性，制备出了可见光高透、红外光高反的薄膜，可见光平均透过率为67%，近红外阻挡率为67%，其中40%被反射，27%被吸收，说明其对红外光的阻挡以反射为主。该薄膜可用于隔太阳热辐射玻璃。