局域表面等离激元增强AlGaN基MSM型日盲紫外探测器

发布时间：2019-08-09 20:08

【摘要】：随着科技的进步，紫外探测技术被广泛地应用在很多的方面。AlGaN基日盲紫外探测器具有体积小、工作电压小、绿色环保和物理化学性质稳定等优点，因而在预警监测、生化医药、天文等领域有着巨大的应用前景。然而,与传统的紫外光电倍增管相比，AlGaN基日盲紫外探测器的响应度依然很低，这已成为制约其发展和应用的关键。目前，AlGaN半导体材料的位错密度高达109cm-2，通过改善AlGaN材料的质量来提高响应度的方法仍然具有很大的困难，而利用金属纳米颗粒产生的局域表面等离激元来提高探测器的光吸收效率已成为一个研究热点。本文研究了表面等离激元对AlGaN基日盲紫外探测器响应度的增强作用，对促进AlGaN基紫外探测器的发展和应用有着重要的意义。本文用MOCVD在蓝宝石衬底上生长了高质量的AlGaN材料，尝试了SiO2掩膜沉积Al阵列以及电子束蒸发制备Al纳米颗粒的方法，最终成功获得了大小可控的Al纳米颗粒。器件上采用标准光刻工艺制备MSM结构探测器。电极为50nm的Ni金属层，在氮气氛围下450℃退火180s。光谱响应测试显示当Al颗粒的大小约为60nm时，探测器峰值响应度（288nm）增加了超过2倍，随着Al颗粒直径的减小，峰值响应度增加的倍数也逐渐减少。暗电流的测试表明不同大小的Al颗粒都能略微降低探测器的暗电流，这主要是由于Al2O3外壳对螺位错的钝化作用，减少了漏电通道。本文取得的研究成果如下： 1.利用时域有限差分法模拟了不同大小Al纳米颗粒的消光光谱，分析了Al颗粒与入射光的耦合规律，进一步研究了Al2O3使消光光谱红移的现象，在此基础上了解了表面等离激元对探测器性能的增强作用。 2.探索了多种制备Al纳米颗粒的方法，并成功掌握了利用电子束蒸发制备大小可控Al纳米颗粒的条件。 3.制备了AlGaN基MSM结构日盲紫外探测器，研究了不同大小的Al颗粒对探测器响应度的增强规律及对暗电流的影响。实验发现60nm的Al颗粒对探测器的增强效果最明显，这是由于金属颗粒的散射作用以及由Al颗粒引起的局域表面等离激元耦合共振增加了半导体材料的光吸收，使光生电子空穴对的数量增加，从而增强了光响应度。而暗电流受Al颗粒的影响很小，，主要是Al2O3能钝化位错，减少漏电通道。
【图文】：

结构图,光电导,探测器,结构图

外探测器类型体紫外探测器根据基本工作方式的不同,可以光生伏特探测器(结型器件),其中光生伏特探-半导体-金属(MSM)型、PN 结型、PIN 结型等器在结构上是在半导体两侧制作两个欧姆接触的示。光电导探测器的优点十分显著：结构简单与其在较弱的入射光照下依然能获得很高的光响应点同样也很显著。由于它的响应与入射光强之间测器是线性的，因此光导型探测器不如光伏型容存在持续光电导效应，这会降低其响应速度——电流与较小的紫外/可见光的抑制比等都使得光的要求。虽然光导型紫外探测器有着很大的内部下，响应电流比光伏型紫外探测器的响应电流大且难以改善，所以现在发展前景更好的是光伏型

金属颗粒,自由电子,集体,表面等离激元

表面等离激元分为两种：表面等离极化激元(Surface plasmonpolariton,SPP)和局域表面等离激元(Localized surface plasmon, LSP)。1.2.1 表面等离激元的基本原理由于金属的光学性质与入射光波长有着密切的关系，因此不是所有的金属都能产生表面等离激元。想要产生表面等离激元则需要介电常数的实部 Re 0m ，而表面等离激元共振则要求虚部mmIm Re 。能产生表面等离激元的金属有部分碱金属及贵金属，比较典型的有银，金，铝等。事实上，表面等离激元是将光波的机械能聚集到金属上。对于不同的金属材料，它的品质因数代表着其产生表面等离激元的能力。品质因数：Im()Re() mmQ ，它意味着在振荡波衰退消失之前能产生几个波长的表面等离激元的振荡，同时也代表着局域光学场的场强是外界场的几倍。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN23

【参考文献】