近紅外光電檢測(cè)對(duì)光譜、夜間監(jiān)控、紅外導(dǎo)引、光通信等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。近年來(lái)，CMOS技術(shù)的發(fā)展使Si基光電子器件得到廣泛應(yīng)用，由于Si自身帶隙較大，普通的Si基光電探測(cè)器通常無(wú)法在超過(guò)1200nm的近紅外光譜區(qū)域有效工作。

 

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們?cè)赟i材料表面沉積一層金屬薄膜，形成金屬-半導(dǎo)體之間的肖特基結(jié)，金屬中自由電子吸收光子能量后可穿過(guò)肖特基勢(shì)壘，并進(jìn)入Si材料中形成光電流。這種響應(yīng)的截止波長(zhǎng)由勢(shì)壘高度決定，從而打破了半導(dǎo)體帶隙的限制。在這個(gè)依賴熱電子發(fā)射的光電響應(yīng)機(jī)制下，金屬結(jié)構(gòu)對(duì)器件的近紅外探測(cè)性能有較大影響。目前，基于如傳輸表面等離激元共振（PSPR），局部表面等離激元共振（LSPR）和諧振腔共振等，納米棒、納米線、光柵等各種金屬納米結(jié)構(gòu)已被證明可增強(qiáng)熱電子光電響應(yīng)。然而，這類結(jié)構(gòu)的量子效率仍較低，這些精細(xì)規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)增加了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本制造。

 

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳沁課題組聯(lián)合東南大學(xué)教授王琦龍，在低成本高效硅基熱電子紅外光電探測(cè)器方面取得系列進(jìn)展。科研人員提出了Au納米顆粒修飾Si金字塔結(jié)構(gòu)的方案，實(shí)驗(yàn)證明，他們制備的這些器件的性可與精心設(shè)計(jì)、成本高昂的Si基近紅外光電探測(cè)器性能相當(dāng)，有望應(yīng)用在大規(guī)模熱光伏電池和低成本紅外檢測(cè)中。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nanotechnology上。科研人員采用的工藝十分簡(jiǎn)單，通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的各向異性化學(xué)濕蝕刻法來(lái)實(shí)現(xiàn)Si基金字塔的構(gòu)建；在其表面濺射一層Au薄膜；通過(guò)快速熱退火法形成修飾的金納米顆粒；在金字塔那面通過(guò)磁控濺射沉積ITO薄膜，在另一面通過(guò)熱蒸發(fā)沉積鋁膜作為背電極；樣品通過(guò)銦錫焊接到芯片載體上，完成探測(cè)器的制作（圖1，2）。他們發(fā)現(xiàn)，金字塔表面增強(qiáng)了入射光子與Au納米顆粒之間的耦合效應(yīng)，因?yàn)榻鹱炙砻鏈p少了背反射光并使光子在Au納米顆粒內(nèi)部多次反射，增加了入射光走的距離，Au納米粒子的引入還使得器件的局部電磁場(chǎng)產(chǎn)生了增強(qiáng)，從而使光子可以被顯著吸收，提高了光電轉(zhuǎn)換量子效率。

 

研究人員采用了Au納米顆粒-介質(zhì)-金反射鏡的結(jié)構(gòu)，充分利用無(wú)序金屬納米顆粒的寬帶高光學(xué)吸收和Au/TiO2/Si組成的全向肖特基結(jié)，在光學(xué)與電學(xué)兩個(gè)方面同時(shí)入手提高光電轉(zhuǎn)換的內(nèi)外量子效率。這種密集的隨機(jī)熱點(diǎn)（hot spot）分布提升了光吸收與熱電子發(fā)射的效率，光電響應(yīng)度是目前最高結(jié)果之一，硅光電響應(yīng)截止波長(zhǎng)擴(kuò)展到近2um，展示了有效的近紅外硅基光電應(yīng)用。此外，通過(guò)時(shí)間分辨的IV正反偏壓測(cè)試分析，他們剖析了光熱電過(guò)程中熱電子光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)的關(guān)系，揭開了前人工作中忽視的熱電子光發(fā)射過(guò)程寄生的光熱效應(yīng)，為表面等離激元增強(qiáng)的熱電子發(fā)射在光電轉(zhuǎn)換、光催化、光傳感應(yīng)用提供了重要的依據(jù)和參考。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上。

 

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。

 

圖1 Au納米顆粒裝飾的Si金字塔制造工藝的示意圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果SEM圖(來(lái)源于Nanotechnology)

 

圖2 Au納米顆粒-介質(zhì)-金反射鏡結(jié)構(gòu)的硅基熱電子光探測(cè)器，能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)表征和實(shí)驗(yàn)SEM圖 (來(lái)源于Laser & Photonics Reviews)

 

圖3 光電測(cè)試分析結(jié)果 (來(lái)源于Laser & Photonics Reviews)