安德森局域场调控的二维异质结红外阵列探测器机理研究

The new generation of infrared photodetector is developing in the direction of large area array, low cost and high operating temperature, in which low-dimensional material (LDM) is one of the most competitive infrared detection systems. However, LDMs still have the problems of size effect induced low quantum efficiency. In this project, we propose an Anderson local field enhanced infrared technology of two-dimensional (2D) heterostructure photodetector array, which combines the strong localized effect of surface plasmons in short-range disordered structures and the excellent photoelectricity of 2D materials at room temperature. The theoretical model of Anderson artificial nanostructure is established to construct periodic nanostructures, inducing surface plasmons to produce localization effects on the excitation light. By introducing short-range disordered areas, the structure forms the "spatial light trapping" zones in the focal plane at will. An integrated device of Anderson nanostructure with 2D heterojunction array by using micro-/nano-fabricating techniques such as electron beam lithography. The optical and electrical local field distribution and the corresponding coupling strength of the device are obtained by microzone characterization techniques of optical and photocurrent. In this way, we verify the microscopic local characteristics in unit and array of the photodetectors. Through the implementation of the project to establish the theory of disorder-structural engineering to manipulate photons at the nanometer scale, solving the practical application problems of traditional metamaterials or metasurface applied in the focal plane device, such as optical crosstalk and low duty cycle. Thus, establishing basic support is very important for the development of quantum structured infrared photodetector based on synergetic modulation by light and electricity.

新一代红外探测器在向大面阵、低成本、高工作温度方向发展，其中低维材料是最具有竞争力的红外探测体系之一。但是，低维材料仍存在尺寸效应引起的量子效率低的问题。本项目利用表面等离激元在短程无序结构中的强局域效应，结合二维材料室温下优异的光电特性，提出一种基于安德森局域场调控的二维异质结红外探测器阵列技术。通过建立安德森人工微结构理论模型，设计周期性微结构形成等离激元对光场形成有效局域，引入短程无序的间隔设计，在焦平面形成可控的“定点陷光”。通过电子束光刻等制备集成安德森微结构的二维异质结阵列器件；通过微区光学、光电流表征技术获取器件的光、电局域场空间分布及对应耦合强度，澄清探测器单元、阵列的微区特性。通过本项目的研究，在理论上阐明无序工程在纳米尺度上操纵光的调控方法，解决当前传统超材料、超表面在焦平面器件中光信息串扰、占空比低等实际应用问题，为发展新型光电联合调控的量子结构红外器件奠定基础支撑。

新一代红外探测器在向大面阵、低成本、高工作温度方向发展，以二维材料为代表的低维材料是最具有竞争力的红外探测体系之一。红外探测材料由经典的“微米级”三维体材料向新型的“纳米级”二维材料转变时，纵向尺度的极限压缩将有效抑制与体积有关的体暗电流密度，载流子输运被限制在二维空间极易被外场调控，是实现极低噪声高灵敏红外探测的天然优势；但是，器件量子效率同样受尺度效应限制以及人工微结构光吸收增强方法在阵列器件中串扰的现实瓶颈，极大的制约了新型纳尺度红外探测器的应用领域。针对上述难题，本项目提出发展基于光电联合调控的新型纳尺度红外探测器，围绕基于安德森效应的局域光场调控机理、局域电场操控暗电流抑制与光电联合调控红外探测增强方法、新型局域场调控的二维半导体红外探测器制备与关键性能参数表征等内容开展研究。构建微纳结构线性响应函数及与几何参数相关的哈密顿量，建立了等离激元安德森效应微结构本征模式分析的唯象模型。利用等离激元模式对红外光子的有效空间局域与相干激发与传输条件，利用FDTD与FEM模拟方法及Nelded-Mead与Monte Carlo优化算法，完成了短波红外优于传统周期等离激元结构126%、中波红外与传统周期等离激元结构相近的增强效果，相较于传统周期性结构，探测器串扰降低442%。基于电子束光刻工艺实现了设计的安德森局域结构，在460-640µC/cm2剂量下，安德森局域结构的加工精度优于10 nm，完成了对安德森局域结构的形貌与微区FTIR表征。结合数值模拟结果，完成了安德森结构模拟性质与结构样件性质的一致性。进一步通过能带工程、定点转移方法等建立了光诱导栅控室温光电信号放大、双边耗尽异质结暗电流抑制等局域电场调控新方案。最终研制出探测波段覆盖短波-中波红外（1-5μm），峰值探测率达到2×1010Jones，工作温度300K，器件规模达到1×16的新型红外探测器。通过本项目的研究，在理论上阐明无序工程在纳米尺度上操纵光的调控方法，解决当前传统超材料、超表面在焦平面器件中光信息串扰、占空比低等实际应用问题，为发展新型光电联合调控的量子结构红外器件奠定基础支撑。