表面等离子体增强的红外探测
【新加坡南洋理工大学张道华教授研究团队】

        红外光电探测在生物医学、安全监控、通信以及天文等方面有着广泛的应用。目前红外光电探测的前沿研究主要是基于灵敏的光电吸收半导体材料,比如近红外波段的InGaAs 材料、中波红外的碲镉汞(MCT)材料,以及长波红外MCT和量子阱红外探测器(QWIP)材料。然而依赖光电半导体材料的吸收常受制于半导体吸收法则,这从本质上限制了光电探测器件的性能。表面等离子结构具备局域光的功能,当共振发生时,被探测光能很好地束缚于极小范围内且透射增强,从而极大地增强光吸收,提高光电探测性能。

        新加坡南洋理工大学张道华教授研究团队详细综述了表面等离子增强红外光电探测领域的最新研究进展。该综述首先介绍了光电探测、表面等离子体的基础原理,以及表面等离子增强光电探测的物理机制。然后对可集成于光电探测器件的不同表面等离子体结构,从增强物理机制、探测性能和工作波长区间等几方面进行了分析和比较。并对表面等离子增强的诸多探测器类型如肖特基、光电导、低维量子阱及量子点、热探测结构以及其他新型结构进行了详细分析。


基于二维亚波长金属孔阵等离子体结构增强的异质结n-i-p光子探测器

        该综述着重介绍了该团队发明的两种表面等离子增强红外光电探测器,一种是二维亚波长金属孔阵表面等离子结构增强的异质结InAsSb光伏n-i-p型探测器,该器件室温性能可达到8x109  Jones;另一种是单一等离子体孔阵列增强的双波段探测器件。这两种增强型复合器件在室温下均展现出优秀的探测性能。最后,该篇综述对本领域的发展前景和存在的挑战作了简单的讨论。

研究团队简介
        新加坡南洋理工大学张道华教授研究团队致力于半导体材料(如III-V族锑化物材料)、器件和技术,光学超材料及应用的研究。主持了包括南洋理工大学第一个千万新元CRP项目在内的30多个研究项目。该团队开发了多种红外光电探测器件,包括基于InSbN的宽带光子探测器,InAsSb光电导探测器件,InAsSb/GaSb 异质结光电探测器件以及基于InAsSb的光伏探测器件。最近,该团队发明了一种二维亚波长金属孔阵等离子结构增强的异质结InAsSb n-i-p型光伏器件,获得了室温下8×109  Jones的探测率;还制备了一种单一等离子体结构增强的双波段光电探测器件,该器件在近红外和中红外都展现出了较高的探测率。基于部分半导体的高迁移率和低等离子共振频率,该团队还发明了一种简单的两端口金属-半导体-金属结构毫米波及太赫兹波探测器件,该器件在室温下取得了低于10-13 W·Hz1/2 的噪声等效功率。在新型光学材料研究方面,该团队发展了一种新型的二维和三维纳米结构制作技术,可以制作特征尺寸小于10 nm的大面积及高密度的微结构。利用这一技术,该团队制备了从红外到近紫外光谱范围的SRR共振环阵列,并把这种阵列用于折射率及生物传感探测。该团队还实现了基于dimer 阵列结构增强的量子点发射。


相关论文
Tong J C, Suo F, Ma J H Z, Tobing L Y M, Qian L et al. Surface plasmon enhanced infrared photodetection. Opto-Electronic Advances 2, 180026 (2019).
DOI: 10.29026/oea.2019.180026