双重等离子共振自驱动高性能宽波段Si肖特基光电探测器的研究

发布时间：2020-03-31 12:44

【摘要】：光电探测器是一种利用光电效应将辐射能转化为电信号的器件,它是光电系统的重要组成部分。其中宽波段光电探测器在多波长成像、通讯、过程控制以及安全监控方面均具有重要的应用价值。目前光电探测器的探测范围主要由光敏材料的禁带宽度决定。然而由于缺少具有宽波长响应的单一材料,往往需要复杂的制备流程将多种材料结合在一起才可以制备得到探测波长范围覆盖广的光电探测器,这严重束缚了宽光谱光电探测器的发展。本课题提出一种新型等离子体共振光电探测器件结构,以减少探测器对光敏半导体禁带宽度的依赖,通过双重等离子体共振电极,拓宽探测器的光电探测波长范围,同时获得较高的器件性能。主要工作内容是在平面硅肖特基光电探测器中引入金纳米颗粒(AuNPs)/石墨烯(Graphene)/AuNPs混合电极,系统研究混合电极对硅(Silicon,Si)肖特基光电探测器性能的影响及内在机理。实验和理论模拟结果显示两层金纳米颗粒间通过单层石墨烯分隔,间距为亚纳米量级,双重等离子体共振效果相比于单层金纳米颗粒显著增强,形成了大量光生热电子。与此同时混合电极的特殊结构保证了热电子的有效传输,因此探测器最终的有效探测波长范围为360-1330nm。其可在紫外-可见-近红外工作,光电探测器在紫外波段的探测性能得到了改善,并在长波波段打破了Si自身1.2ev禁带宽度的束缚。此外由于混合电极与Si形成肖特基结,因此该探测器可在零偏压下工作,节省能耗。同时探测器具有优异的高频性能,3dB带宽为780kHz,响应速度约为360ns,噪声等效功率仅为1.6×10~(-8) W。此研究成果为等离子共振光电探测器的研究及性能提升提供了很好的借鉴,可以推进双重等离子共振在光电器件中的应用。
【图文】：

电路图,光伏探测器,电场方向,半导体

图 1.1 (a)半导体电场方向 (b)光伏探测器件电路图Fig1.1 (a) Direction of the electric field of the semiconductor (b) Equivalent graph of thephotovoltaic detector1.1.2 光电探测器的发展及国内外研究现状早在 1873 年，英国科学家就发现了硒具有一定的光电导效应，这一发现打开了人们探索的大门，，但是长期以来都没有得到实质性的进展，光电探测器并未运用到实际生活中去。渐渐地，伴随着各种各样新型光电半导体的涌现，光电探测这一研究有了突破性的进展[12]。例如在 400 到 600nm 探测波段，在五十年代时，具有良好性能的 CdS、CdSe 光敏电阻以及 PbS 光电探测器已经被广泛使用。到了六十年代初，高响应的锗、硅型掺杂的光电导探测器已经被成功的发现，并且被广泛地运用到远红外的波段范围内，例如 Ge 掺杂 Au 和 Ge 掺杂 Hg 光电导探测器都工作在较远的红外微米波段上。六十年代末，禁带宽度可调控的三元材料得到进一步研究，并且半导体的禁带宽度控制着光电探测器的响应波长。窄禁带宽度的半导体材料在六十年代以前没有被研制出来，因此科学家们将非本征光电导效应运用起来

光电探测器,波段,中远红外,紫外辐射强度

图 1.2 光电探测器在现实生活中的应用Fig1.2 Application of Photodetectors in Real Life随着科技的发展，光电探测器的利用波段简直达到了全面的覆盖，这其外光、可见光、中远红外光等多个波段。现代军事中也将光电探测技术分，例如光电侦查、检测、导航、导弹制导等等[15]。美国和俄罗斯通过空间站将太阳能的紫外辐射强度通过光电探测器测量出来，来研究紫能电池和温控表面的一些影响。日本气象研究所开发的紫外光探测器，不同区域的紫外辐射强度，从而探索不同程度的紫外线对生物的影响，用到气象中的光电测雹仪等[16,17]。像光度计量、射线的测量以及工业上经常被运用到可见光或者红外光的波段，而关于中远红外的波段来说遥感、红外热成像等等方面的使用[18]。电探测器的分类对光电探测器进行分类的依据有很多，例如根据光电探测器的工作原理
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36

【参考文献】