基于表面等离激元增强的近红外光电探测器

表面等离激元增强光物质相互作用1.表面等离激元是一种表面电磁波模式。

Surface plasmon polaritons are a type of surface electromagnetic wave mode.2.表面等离激元可以在金属和介质界面上产生。

Surface plasmon polaritons can be generated at the interface between metal and dielectric.3.表面等离激元可以被用来增强光与物质的相互作用。

Surface plasmon polaritons can be used to enhance the interaction between light and matter.4.表面等离激元会导致局部电磁场增强。

Surface plasmon polaritons lead to localized electromagnetic field enhancement.5.表面等离激元的共振频率取决于介质的折射率。

The resonance frequency of surface plasmon polaritons depends on the refractive index of the medium.6.表面等离激元可以用于传感器和光电器件中。

Surface plasmon polaritons can be used in sensors and optoelectronic devices.7.表面等离激元可以被激发和控制。

Surface plasmon polaritons can be excited and manipulated.8.表面等离激元在纳米光子学中扮演重要角色。

Surface plasmon polaritons play an important role in nanophotonics.9.表面等离激元的研究有助于开发新的光学器件。

第４５卷　第１期２０２１年１月激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０１ ０１０５ ０４ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器发展研究张　伟１，徐　强１，谢修敏１，邓　杰１，覃文治１，胡卫英１，陈　剑１，宋海智１，２（１．西南技术物理研究所，成都６１００４１；２．电子科技大学基础与前沿科学研究所，成都６１００５４）摘要：基于ＩｎＧａＡｓ纳米线的光电探测器，由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。

综述了ＩｎＧａＡｓ纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。

讨论了ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。

对发展高光子探测效率、低噪声、高增益ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。

关键词：传感器技术；雪崩焦平面探测器；ＩｎＧａＡｓ纳米线阵列；光电二极管；探测器中图分类号：Ｏ４７５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０１ ０１８ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓＺＨＡＮＧＷｅｉ１，ＸＵＱｉａｎｇ１，ＸＩＥＸｉｕｍｉｎ１，ＤＥＮＧＪｉｅ１，ＱＩＮＷｅｎｚｈｉ１，ＨＵＷｅｉｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮＪｉａｎ１，ＳＯＮＧＨａｉｚｈｉ１，２（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄＦｒｏｎｔｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｕｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｇｒｏｗｔｈｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｄｅｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｖｉｃｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｈｉｇｈｇａｉｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｒｒａｙ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ；ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ 基金项目：四川省科技计划资助项目（２０１８ＴＺＤＺＸ０００１）；国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＢ０４０５３０２）作者简介：张　伟（１９８３ ），男，博士研究生，现主要从光电功能材料与器件的研究。

表面等离激元光子学中的超表面结构研究表面等离激元光子学是一门新兴的研究领域，为人们认识和应用光子学提供了新的思路和技术手段。

超表面结构作为表面等离激元光子学中的一个重要研究方向，具有巨大的潜力和应用前景。

本文将介绍超表面结构的研究背景、基本原理、制备方法以及一些前沿应用。

超表面结构，顾名思义，即超越了常规表面的特性和限制。

它的特点是通过微纳米尺度结构的调控，可以实现对光子的超强操控和调制。

传统的表面不具备这种能力，因为它们缺乏对光场的精确操纵能力。

而超表面结构则可通过控制入射光的相位、振幅和极化等关键参数，来实现对光的精确调制。

超表面结构的核心原理是表面等离激元共振现象。

表面等离激元是一种存在于金属表面和介质之间的电磁波，在这个界面上发生共振。

这种共振可以被调控和操纵，从而实现对光的精确控制。

超表面结构利用微纳米尺度的结构来调节表面等离激元的共振条件，从而实现对光的高效操控。

在超表面结构的制备方面，常见的方法包括纳米光刻、电子束曝光和自组装等技术。

这些方法能够高精度地制备出具有特定形状和尺寸的微纳米结构，从而实现对光的精确调控。

此外，一些新兴的制备方法，如基于二维材料的超表面结构和自组装技术则提供了更加灵活多样化的制备策略。

除了基础研究，超表面结构还具有广泛的应用前景。

在光学通信领域，超表面结构可以用来实现高效的光子器件和光子集成电路。

其超表面调制器件可以实现对光信号的高速调制和传输，从而提高网络通信的速度和容量。

在超材料领域，超表面结构可以用来制备具有特殊光学性质的人工材料，从而实现对电磁波的精确操控。

此外，超表面结构还在光学传感、光散射和光电子学等领域有着广泛的应用。

例如，在光学传感领域，超表面结构可以通过调节表面等离激元的共振条件，实现对环境参数的高灵敏度检测。

在光散射领域，超表面结构可以用来实现对散射光波的精确控制，从而实现高质量成像和隐身技术。

在光电子学领域，超表面结构可以用来制备高效的光电器件，如太阳能电池、光探测器和光伏电池等。

宽频带超材料完美吸波器研究现状超材料是一种人工设计的周期性微纳结构材料，由于其具有天然常规材料所不具备的诸如负折射率、完美吸收、逆多普勒效应等特殊性能，近年来引起人们的极大关注。

超材料完美吸收器（PMA）作为超材料的一个重要分支，可以在特定波段对电磁波实现近乎完全的吸收。

自2008年LANDY等首次在11.5 GHz实现完美吸收后，PMA得到了快速的发展，并已实现在太赫兹波段、红外波段以及可见光波段的完美吸收。

虽然实现窄带的完美吸收是容易的，但是宽频带的完美吸收尤其是太赫兹及更高频段的宽频带完美吸收是相对困难的，这是由它的吸收机制、表面等离子共振（SPR）所引起的固有窄带造成的。

但对光电探测、光伏器件等十分具有发展前景的领域来说，实现宽带吸收是必要的。

因而，本文综述了近年来宽频带PMA的实现方法及相关应用，以期为宽频带PMA的发展提供帮助。

1 宽频带PMA的结构金属-介质-金属（MⅠM）三层结构，是设计PMA的普遍思路，不同类型的PMA均是在此结构基础上发展而来的。

近年来的研究认为，实现宽带吸收主要可以通过以下3种方式：①选用合适的材料，主要是难熔金属等，并通过恰当的几何设计，降低品质因数（Q值）实现宽带吸收；②在一个结构单元中包含多个尺寸差异较小、吸收峰较为接近的谐振器，并使其吸收峰互相融合，形成宽带吸收；③在同一结构单元中实现表面等离极化激元（SPP）、局域表面等离子共振（LSP）、法布里-珀罗（FP）等多种共振模式，进而实现宽带吸收。

1.1 金属-介质-金属型由于贵金属更易激发SPR，早期的PMA研究常采用贵金属金、银等，但这并不利于宽带的实现，且价格昂贵。

具有高损耗性能的难熔金属铬、钛、钨、镍等有助于增强电阻效应，降低Q值，增加吸收器的带宽，近年来被广泛应用于宽频带PMA的设计中。

ÜSTÜN等选用圆盘状金属Ti作为顶部金属层，中间介质层选用Ge，金属Al为底部金属，设计了一种结构简单、易于加工的3层结构，实现了在长波红外波段8～12.7 μm范围90%以上的吸收，将中间介质层换为SiO2并适当改变结构尺寸，可以实现在中红外波段2.41～5.4 μm 范围90%以上的吸收。

表面等离激元的激发及探测表面等离激元是一种位于金属表面的电磁波，可以激发金属表面的电子形成共振，产生强烈的电磁场，具有极高的局域化和增强性质。

在生物分子、化学分析、光学传感等领域中，表面等离激元技术得到了广泛的应用。

本文将介绍表面等离激元的激发及探测方法，并讨论该技术在化学和生物研究中的应用。

一、表面等离激元的激发方法表面等离激元的激发方法主要有三种：光学激发、电学激发和粒子束激发。

其中，光学激发是最为常见的激发方式，它通过在金属表面正入射激光束来产生表面等离激元。

当入射激光与金属表面的电子相互作用时，电子自由波和表面等离激元耦合，从而形成表面等离激元波。

二、表面等离激元的探测方法表面等离激元的探测方法主要有两种：光学探测和电学探测。

其中，光学探测是最为常用的探测方式。

在光学探测方法中，激发表面等离激元的激光通过光学系统导入与表面等离激元耦合的探测光纤或另一探测器上，以测量表面等离激元的共振谱。

在电学探测中，可以通过测量表面等离激元场的局部电流或电势，来间接测量表面等离激元的特性。

三、表面等离激元在化学研究中的应用表面等离激元在化学分析领域中有着广泛的应用。

例如，在表面等离激元拉曼光谱（SERS）中，表面等离激元与修饰金属表面上的分子共振，从而增强了分子的拉曼散射信号，可以对弱信号化合物进行高灵敏度和高选择性的检测。

此外，表面等离激元还可以通过测量表面等离激元感应荧光（SEF）来实现生物分子的检测。

利用表面等离激元产生的强烈电磁场，可以将荧光分子的荧光增强数千倍以上，从而实现对极低浓度的生物分子的检测。

四、表面等离激元在生物研究中的应用表面等离激元技术在生物学研究中也有广泛的应用。

例如，在蛋白质结构研究中，表面等离激元可以用来研究蛋白质的自组装过程以及蛋白质分子之间的相互作用；在单分子检测中，表面等离激元可以将单个分子的激发局限在一特定区域内，从而实现对单个分子的定位和监测，为分析和理解生物分子的自组装、相互作用和反应提供了新的手段；同时表面等离激元还可用于测量细胞膜的介电常数，从而实现对细胞膜性质的非侵入式测量。

禁带半导体紫外探测器紫外探测技术在国防预警与跟踪、电力工业、环境监测及生命科学领域具有重要的应用，其核心器件是高性能的紫外光电探测器。

基于半导体材料的固态紫外探测器件具有体重小、功耗低、量子效率高、和便于集成等系列优势。

以碳化硅（SiC）和III族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于制备紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势。

我们实验室在宽禁带半导体紫外探测器领域具有较强的实力。

率先在国内实现4H-SiC基紫外雪崩单光子探测器；分别研制成功高增益同质外延GaN基紫外雪崩光电探测器、国际上领先的高增益AlGaN基日盲雪崩光电探测器、具有极低暗电流的AlGaN基MSM日盲深紫外探测器、高量子效率AlGaN基PIN日盲深紫外探测器、以及现有芯片面积最大的AlGaN基日盲深紫外探测器，相关结果多次获得国际主流媒体的跟踪报导。

目前，我们的工作重点是研制高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器，包括：紫外单光子探测器件结构设计和物理分析，紫外单光子探测线阵和日盲紫外探测阵列制备。

宽禁带半导体功率电子器件针对未来高效电力管理系统、电动汽车和广泛军事应用大容量化、高密度化和高频率化的要求，将宽禁带半导体材料应用于高档次功率电子器件可以有效解决当今功率电子器件发展所面临的“硅极限”（silicon limit）问题，将大幅度降低电能转换过程中的无益损耗，在各领域创造可观的节能空间。

宽禁带Ⅲ族氮化物半导体具有强击穿电场、高饱和漂移速度、高热导率和良好化学稳定性等系列材料性能优势，是制备新一代功率电子器件的理想材料。

这一研究方向近年来成为国际上继GaN基发光二极管和微波功率器件之后的新兴研究热点。

我们小组在这一研究领域具有较好的基础，已经研制成功AlGaN/GaN平面功率二极管，其击穿电压大于1100V，功率优值系数高达280MW/cm2。

基于表面等离激元的长波QWIP光栅优化王国东;倪璐;朱红伟;王赛丽【摘要】为了提高长波量子阱红外探测器的灵敏度及探测率，采用表面等离激元效应来提高量子阱红外探测器中二维光栅的耦合效率。

利用三维时域有限差分算法，分析表面等离激元作用下，长波量子阱红外探测器中二维金属薄膜光栅参数对入射光的调制作用。

计算结果表明，对于8μm的入射光，当光栅周期 P＝2．8μm，孔直径D＝1．4μm，光栅层厚度L＝0．04μm时，X-Y 平面内Z方向电场值最大，光栅的耦合效率最高。

%In order to improve the sensitivity and detectivity of the long-wavelength quantum well infrared photodetector (QWIP) ,the surface plasmon was adopted to enhance the optical coupling efficience of two-dimensional grating .The modulation effects of the 2-D metal film grating parameters in long-wavelength QWIP on the incident light were analyzed by using the 3-D finite-difference time-domain (FDTD) algorithm based on surface plasmon .Calculation re-sults show n that the electric field along the Z direction reaches its maximum in the X-Y plane when the grating parameters were taken as P=2 .8μm ,D=1 .4μm andL=0 .04μm for 8μm incident light .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P785-788)【关键词】量子阱红外探测器;表面等离激元;二维光栅;耦合效率【作者】王国东;倪璐;朱红伟;王赛丽【作者单位】河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003;河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003【正文语种】中文【中图分类】TN362引言基于GaAs／AlGaAs材料的量子阱红外探测器（QWIP）具有均匀性好、响应速度快、器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低等特点［1-6］，在当前以大面阵、多色等为特性的第三代红外焦平面技术中占有十分重要的地位。

表面等离激元的应用
表面等离激元是一种在金属和介质边界上产生的电磁波，具有很多独特的物理性质。

因此，它在许多领域中都有广泛的应用。

首先，在传感器领域中，表面等离激元可以用于检测生物分子、气体和化学物质等。

这是因为等离激元场强烈，可以增加分子与检测表面的接触面积，从而提高检测的灵敏度和特异性。

其次，在光电器件中，表面等离激元可以用于提高太阳能电池和光电探测器的效率。

这是因为等离激元能够在金属和半导体之间形成电荷分布，增加光的吸收和电荷的分离，从而提高器件的效率。

此外，在光通信领域中，表面等离激元可以用于实现超小型的光学器件和高密度的光通信芯片。

这是因为等离激元可以在纳米尺度下控制光的传播和聚焦，从而实现超小型的光学器件和高密度的光通信芯片。

总之，表面等离激元在传感器、光电器件和光通信等领域中有着广泛的应用前景，具有重要的科学意义和实际价值。

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文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05p-i-n In&InGaAs光电探测器的电流及电容特性研究夏少杰陈俊"(苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为了实现高灵敏度探测，红外探测器需要得到优化&利用Silvaco 器件仿真工具研究了 p-i-n 型InP/Ino. 53Ga 0.47As/In 0. 53Ga °. 47A s 光电探测器的结构, 并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表 明，随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大，器件的暗电流逐渐减小，结电容逐渐增 大。

当台阶宽度变窄时，器件的暗电流随之减小，结电容也随之变小。

最后研 究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下，器件的结电容基本不变； 当光强增大到1 W /m 2时，器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升 高而减小，其 &关键词：近红外光电探测器；InP/InGaAs ；暗电流；结电容中图分类号：TN362文献标志码：A DOI ： 10.3969/j.issn.1672-8785.2021.01.001Research on Current and Capacitance Characteristicsof p-i-n In&InGaAs PhotodetectorXIA Shao-jie ，CHEN Jun **收稿日期：2020-08-28基金项目：国家自然科学基金项目(61774108)作者简介：夏少杰(1995-)，男，江苏苏州人，硕士生，主要从事红外光电器件研究。

*通讯作者:E-mail ： ****************.cn(.School of Electronic and Information Engineering ，Soocho2 University ，Suzhou 215006，China )Abstract : In order to achieve high sensitivity detection ，infrared detectors need to be optimized. Based on the Silvaco device simulation tool, the photoelectric characteristics of p-i-n InP/IriQ,53GaQ,47As/In 0.53GaQ,47As photode ­tector is analyzed. The effects of absorption concentration and mesa width on dark current and junction capaci ­tance in the structure are simulated. The results show that as the doping concentration of the absorption layergradua <yincreases ，thedarkcu r entofthedevicegradua <ydecreases ，andthejunctioncapacitancegradua <y increases. When the mesa width becomes narrower ，the dark current of the device decreases ，and the junctioncapacitance becomes smaller. Finally ，the effect of light intensity and frequency on the device junction capaci ­tance is studied. At low light intensity ，the device junction capacitance is basically unchanged. When the light intensityincreasesto1 W /cm 2!thedevicejunctioncapacitanceincreasesrapidly2Thedevicejunctioncapaci-tance increases with frequency decreasing. The peak is caused by defect levels.Key words:near-infrared photodetector；InP/InGaAs；dark current；junction capacitance0引言随着红外探测技术的不断发展，红外探测器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能转换为可测量的能量！其研究最重要的是材料和器件结构的选择。