中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
紅外偏振探測與成像具有增強(qiáng)成像對比度、檢測噪聲背景中的微弱信號和提升信號測量的信噪比等優(yōu)勢?；诘入x子體熱電子（plasmon hot electron）產(chǎn)生光發(fā)射效應(yīng)，全硅探測器可在室溫下近紅外（NIR）波段實(shí)現(xiàn)偏振敏感的光電探測。
由復(fù)旦大學(xué)與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)提出一種采用硅基結(jié)合超構(gòu)表面材料研發(fā)的近紅外偏振探測器，更能夠?qū)崿F(xiàn)室溫工作、與硅基讀出線路/存儲(chǔ)線路等單片集成，實(shí)現(xiàn)存算一體的工作模式。相關(guān)研究成果以“Near-Infrared Polarization-Sensitive Detection by All-Si Plasmonic Hot Electron Detectors”為題，發(fā)表在Nano letters期刊上。復(fù)旦大學(xué)陳宜方教授和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所周靖研究員為該論文的共同通訊作者。
該全硅熱電子探測器由周期性輕摻雜n型硅納米線（Si-NW，摻雜濃度為3.8 ×1013 cm?3）組成，n型硅納米線作為并聯(lián)的導(dǎo)電通道，由兩個(gè)鋁（Al）電極電連接。第三個(gè)Al電極直接連接到p型硅襯底上，作為探測器的大背柵。隔離的超薄金（Au）天線周期性地放置在硅納米線的頂部和底部，以形成納米腔諧振器，從而在Au-Ti/Si界面上建立肖特基勢壘，整體器件設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)器件架構(gòu)（如圖1a）被視為Au天線/硅納米線超構(gòu)表面。
圖1 全硅熱電子探測器的設(shè)計(jì)
該Au天線/硅納米線超構(gòu)表面能夠吸收具有高光學(xué)各向異性比的近紅外光，該器件形態(tài)及偏振探測吸收特性結(jié)果如圖2所示。接著，研究人員對該器件在近紅外波段的光電特性進(jìn)行了測試，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。
圖2 Au天線/硅納米線超構(gòu)表面器件形態(tài)及偏振探測吸收特性
圖3 Au天線/硅納米線超構(gòu)表面器件在近紅外波段的光電特性
在這項(xiàng)研究中，研究人員以p型硅襯底作為背柵，進(jìn)一步在四種不同的直流偏置下探究了門控對該器件光電性能的影響，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖4 電可調(diào)偏振敏感的光電響應(yīng)
最后，這項(xiàng)研究分析了該器件的物理起源，并討論了該器件的進(jìn)一步發(fā)展方向。該基于全硅等離子體超構(gòu)表面的熱電子探測器主要通過兩個(gè)步驟將光轉(zhuǎn)換為電信號，即熱電子的產(chǎn)生（如圖 5a）和注入（如圖 5b）。天線的光捕獲能力、熱電子分布以及Au天線/硅界面的質(zhì)量等因素對器件的外部量子效率（EQE）均有很大影響。
圖5 天線對器件EQE的影響示例
綜上所述，這項(xiàng)研究介紹了一種采用基于Au天線/硅納米線超構(gòu)表面的全硅探測器，將高靈敏偏振光電探測范圍從1.1 μm擴(kuò)展到1.6 μm。該器件峰值響應(yīng)處1.45 μm，峰值探測率達(dá)和響應(yīng)率分別達(dá)到51.2 mA/W和8.05×101? cm·√Hz·W?1。更重要的是，該器件具有強(qiáng)烈的偏振敏感性，在1.55 μm的近紅外波段實(shí)現(xiàn)的偏振光電流比為35:1。與基于銻化鎵（GaSb）、黑磷和二硒化鈀（PdSe?）等材料的無濾光片近紅外偏振探測器相比，該探測器與CMOS技術(shù)更兼容，這使其成為下一代無濾光片片上偏振計(jì)的有力候選者。
