[论文解读] Multiband Tunable Large Area Hot Carrier Plasmonic-Crystal Photodetectors

F. Pelayo Garcı́a de Arquer, Agustín Mihi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 26被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种基于金属-半导体结处热电子收集的首个大面积、低成本准三维等离子体晶体光电探测器，可在可见光至近红外光谱范围内实现多波段可调响应。通过设计等离子体纳米结构，独立于半导体带隙调控光谱灵敏度，实现了70 mA/W的前所未有的响应度。

ABSTRACT

Optoelectronic functionalities of photodection and light harnessing rely on the band-to-band excitation of semiconductors, thus the spectral response of the devices is dictated and limited by their bandgap. A novel approach, free from this restriction, is to harvest the energetic electrons generated by the relaxation of a plasmonic resonance in the vicinity of a metal-semiconductor junction. In this configuration, the optoelectronic and spectral response of the detectors can be designed ad hoc just by tailoring the topology of metal structures, which has tremendous applications in solar energy harvesting and photodetection. Fully exploiting hot electron based optoelectronics yet requires a platform that combines their exotic spectral capabilities with large scale manufacturing and high performance. Herein we report the first implementation of a large area, low cost quasi 3D plasmonic crystal (PC) for hot electron photodetection, showcasing multiband selectivity in the VIS-NIR and unprecedented responsivity of 70 mA/W.

研究动机与目标

• 通过将光电探测响应与材料带隙解耦，克服传统半导体的光谱限制。
• 开发一种可扩展、低成本的基于热电子的光电集成平台，具备可调光谱响应。
• 展示利用大面积等离子体晶体实现高性能光电探测，具备多波段选择性。
• 在可制造的准三维等离子体架构中实现高响应度。

提出的方法

• 在半导体衬底上采用纳米结构金属阵列，设计并制备大面积准三维等离子体晶体结构。
• 利用金属纳米结构中的局域表面等离子体共振（LSPR）在光照下产生热电子。
• 通过调节等离子体晶体的几何形状与周期性，实现从可见光到近红外光谱范围的共振波长调谐。
• 在金属-半导体界面集成肖特基结，以提取热电子并产生光电流。
• 采用电子束光刻与金属沉积技术，实现等离子体纳米结构阵列的可扩展制备。
• 在不同光照条件下表征光谱响应与响应度，以验证多波段可调性与性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 大面积等离子体晶体结构能否实现与半导体带隙无关的多波段光电探测？
• RQ2 通过工程化设计的等离子体纳米结构，在热电子光电探测器中可实现的最大响应度是多少？
• RQ3 在可扩展、低成本的制造工艺中，能否在可见光至近红外光谱范围内有效实现等离子体调谐？
• RQ4 与平面结构相比，准三维架构如何提升热电子收集效率？
• RQ5 在热电子光电探测器中，光谱可调性、响应度与器件可扩展性之间的权衡关系如何？

主要发现

• 该器件实现了70 mA/W的响应度，这是热电子光电探测器中前所未有的水平。
• 通过调节等离子体晶体的几何结构，实现了从可见光到近红外波段的多波段光谱响应。
• 大面积准三维等离子体结构在保持可调性的同时，实现了高效的热电子收集。
• 该制备工艺具备可扩展性与低成本特性，适用于工业集成。
• 光谱响应与半导体带隙解耦，实现了光电响应的灵活设计。
• 由于工程化设计的等离子体共振，器件在宽光谱范围内均表现出良好工作性能。