基于双Tamm等离极化激元耦合模式的金属-半导体-金属热电子光电探测器

Hot electron photodetectors based on metal-semiconductor-metal (MSM) structure have been a cutting-edge topic of research in the revelent field. There are two critical problems concerning this type of hot electron photodetectors: low internal quantum efficiency and the failure in simultaneously optimizing the internal quantum efficiency and the net optical absorption. To solve these problems, this project incorporates the Tamm plasmon polaritons (TPP) into this type of devices. The coupled mode of double TPP and a LiF interface modification layer are employed to simultaneously improve the net absorption and the internal quantum efficiency, and hot electron photodetectors based on the coupled mode of double TPP are constructed. Theoretically, this project will apply optical modeling and the transport theory of hot electrons to investigate how the device structure and the interface barrier can influence the generation, emission, and transport of the hot electrons. Experimentally, this project will fabricate MSM hot-electron photodetectors based on the coupled mode of double TPP and examine how the coupled mode of double TPP, LiF interface modification layer and thickness of the layers in the MSM structure influence and improve the net absorption and the internal quantum efficiency of the devices, and finally study how all these factors can be combined and employed to achieve high responsivity for such devices. Findings and results from the project will provide new approaches to improving performance of hot electron photodetectors.

基于金属-半导体-金属结构的热电子光电探测器是目前国际研究的前沿课题之一。针对该类器件中内部量子效率低、内部量子效率和净光学吸收之间没有同时优化这两个问题，本项目将一维光子晶体/金属界面的Tamm等离极化激元（Tamm plasmon polaritons, TPP）引入到该类器件中，利用双TPP耦合模式、LiF界面修饰层降低界面势垒等方法来同时提高器件的净光学吸收和内部量子效率，进而构建基于双TPP耦合模式的热电子光电探测器。从理论角度, 本项目将采用光学模拟结合热电子输运理论，研究器件结构和界面势垒高度对热电子产生、发射以及输运过程的影响。从实验角度，本项目将制备相应热电子光电探测器，研究双TPP耦合模式、LiF界面修饰层以及金属-半导体-金属结构中各层薄膜的厚度，对器件净光学吸收、内部量子效率的影响和同时优化作用，最终提高器件响应度。本项目将为提高热电子光电探测器的性能提供新的思路。

热电子光电探测器的工作波长不受半导体禁带的限制，可用于探测能量低于半导体禁带的可见光和近红外光，因而成为国内外研究的前沿热点课题。然而，由于吸光效率和内部量子效率低等因素的限制，该类器件的响应度相对较低。针对这一问题，本项目提出利用单Tamm等离激元、双Tamm等离激元耦合模式、多种表面等离激元以及界面势垒调控等多种手段来调控热电子光电探测器的性能，阐明利用这些方法优化热电子器件光学吸收和电学性能的机制，设计和制备了多种基于Tamm等离激元和表面等离激元的热电子光电子探测器。其中，基于单Tamm等离激元的硅基热电子近红外光电探测器在-1V偏压下的响应度为13μA/W；基于双Tamm等离激元耦合的平面热电子光电探测器的相应带宽小于1nm，理论响应度极限可超过100mA/W; 基于波导模式共振的光栅型热电子光电探测器在波长为1300nm处可以获得2.12mA/W的响应度；基于超薄金属纳米等离激元热点局域效应的热电子光电探测器在1200nm处的响应度可达10mA/W以上。同时，上述光场调控手段被应用于优化包括有机太阳能电池在内的同类光电子器件性能。基于上述研究，项目组在ACS NANO、ACS Photonics、Optics Express等国际期刊上发表论文13篇，申请专利3件，培养研究生3人，达到了项目申报书设定的预期目标。同时，项目负责人将本项目所研究的光学Tamm等离激元光场调控方法应用于半透明有机太阳能电池，并成功申请国家自然科学基金一项。