基于表面等離子體效應增強紅外光電探測器性能資料

1、基于表面等離激元效應增強紅外光電探測器的性能潘曉航潘曉航 157238262015-12-17主要內(nèi)容紅外探測器簡介表面等離子體激元文獻閱讀紅外探測器紅外探測器(Infrared Detector)是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件?，F(xiàn)代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應和光電效應。這些效應的輸出大都是電量，或者可用適當?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量。光電探測器在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等。圖片來源：左 某醫(yī)院宣傳圖 右 國家航天局火災分析圖紅外光電材料碲鎘汞（HgCdTe）HgCdTe 突出的性能是其它紅外材料難以相比的：在整個紅外波段（ 120 m）均具有很高的光子吸收率

2、；與其它紅外探測器材料相比，在同樣的溫度下， HgCdTe 材料熱激發(fā)載流子產(chǎn)生的暗電流最小。這兩個突出的特點，使得 HgCdTe 當之無愧地成為高性能二代紅外焦平面器件的最佳選擇。引自HgCdTe紅外探測器性能分析紅外光電材料銦砷銻（InAsSb）1.響應速度比HgCdTe快，反應速度可達到ns量級2.材料穩(wěn)定性好3.禁帶寬度隨組分變化不敏感4.具有較高的探測率相比HgCdTe其遷移率更高，有更低的制作成本，且與其相匹配的襯底材料成本都較HgCdTe廉價，有很好的應用前景兩種材料禁帶寬度隨組分的變化圖引自非制冷InAsSb中長波紅外探測器研究評述新型光電探測器研究對于各種新型的紅外探測器，目

3、前研究較多的是量子阱探測器和超晶格探測器，可以獲得更高的探測率和光響應，但也存在需要制冷和容易引起暗電流的缺點引自非制冷InAsSb中長波紅外探測器研究評述表面等離子體激元當光波(電磁波)入射到金屬與介質(zhì)分界面時，金屬表面的自由電子發(fā)生集體振蕩，電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒鲭姶挪?，如果電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會產(chǎn)生共振，在共振狀態(tài)下電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能，這時就形成的一種特殊的電磁模式:電磁場被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強，這種現(xiàn)象就被稱為表面等離激元現(xiàn)象。文獻閱讀本文研究背景在 2004, Okamoto

4、et al. 成功的將20nm的半導體量子阱放置在金屬層下邊實現(xiàn)光發(fā)射的增強。Chang et al. 利用一個金屬2DHA實現(xiàn)一個窄線寬的光響應，但并未觀察到光響應的增強，可能是由于器件中低的光耦合和較厚金屬膜引起的低的透射率Shenoi et al. 報道了一個利用2DHA光子晶體腔觀察到光響應中中波和長波的一個相對增強，沒有觀察到絕對的光響應增強光的有效耦合仍然未解決本文的主要內(nèi)容設計出一個集成的2D金孔穴陣列（2DHA）和InAs量子點（QD）實現(xiàn)光的有效的耦合實驗中實現(xiàn)了高達130%的絕對增強的光響應通過設計實驗來尋找最優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的原理圖通過標準光刻技術和金屬剝離技術來制造2

5、DHA等離子體模型通過設計出合理的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)更好的plasmonic-QD相互作用實現(xiàn)最優(yōu)光響應的條件設計出最優(yōu)的器件結(jié)構(gòu)來增強光的耦合等離子體激元共振與QDIP吸收峰的光譜匹配提高器件的透光率等離子體激元高場區(qū)與QD活躍區(qū)的空間匹配2DHA不同晶格常數(shù)樣品的響應圖IR Emitter光學斬波器單色儀探測器通過使2DHA的等離子體共振波長與吸收峰的波長相匹配，來增加plasmonic-QD相互作用2DHA-QDQD2DHA不同孔穴直徑的樣品的響應圖不同的孔穴直徑有不同的透射率，透射率的大小影響光的響應強度為了保持光譜的匹配同時探究入射光的透射率，選擇晶格常數(shù)為3.2m的2DHA透射率與入射角的

6、關系當入射角當入射角30時，樣品的透射率隨入射角緩慢變化，但仍在主要的吸收帶內(nèi)時，樣品的透射率隨入射角緩慢變化，但仍在主要的吸收帶內(nèi)光響應增強的起源圖1、EM transmittance flux =transmittance/ filling fraction由電磁透射率是變化可以看出最優(yōu)的孔穴直徑的范圍2、光電響應的增強是由stronger plasmonic field和QDs相互作用 3、共振響應時的電場曲線噪聲電流的對比圖有和沒有2DHA結(jié)構(gòu)的噪聲電流曲線基本重合，也就是說2DHA不會帶來附加的負面噪聲信號。不同樣品的吸收光譜隨著吸收層厚度的降低，可以實現(xiàn)一個更好的空間匹配和一個更明顯的吸收增強在T=0.5和T=1.3時吸收增強可以分別增強10和5倍其它類型表面等離子體增強的紅外探測器器件利用1D光柵結(jié)構(gòu)等離子體的共振量子效應增強的中波紅外探測器器件