硅基近紅外光電轉(zhuǎn)換研究的進展情況

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

為了解決這個問題，科學家們在硅材料表面沉積一層金屬薄膜，形成金屬-半導體之間的肖特基結(jié)，金屬中自由電子吸收光子能量后可穿過肖特基勢壘，并進入硅材料中形成光電流。這種響應(yīng)的截止波長由勢壘高度決定，從而打破了半導體帶隙的限制。在這個依賴熱電子發(fā)射的光電響應(yīng)機制下，金屬結(jié)構(gòu)對器件的近紅外探測性能有較大影響。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，這些精細規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)增加了生產(chǎn)工藝的復雜性和生產(chǎn)成本，使其無法實現(xiàn)大規(guī)模、低成本制造。

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

圖1 金納米顆粒裝飾的硅金字塔制造工藝的示意圖和實驗結(jié)果SEM圖

圖2 金納米顆粒-介質(zhì)-金反射鏡結(jié)構(gòu)的硅基熱電子光探測器，能帶結(jié)構(gòu)、光學表征和實驗SEM圖

圖3 光電測試分析結(jié)果

研究人員采用了金納米顆粒-介質(zhì)-金反射鏡的結(jié)構(gòu)，充分利用無序金屬納米顆粒的寬帶高光學吸收和Au/TiO2/Si組成的全向肖特基結(jié)，在光學與電學兩個方面同時入手提高光電轉(zhuǎn)換的內(nèi)外量子效率。這種密集的隨機熱點（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)截止波長擴展到近2um，展示了有效的近紅外硅基光電應(yīng)用。此外，通過時間分辨的IV正反偏壓測試分析，他們剖析了光熱電過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)射過程寄生的光熱效應(yīng)，為表面等離激元增強的熱電子發(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。

該工作得到國家自然科學基金委和中科院的支持。