一类基于Tamm Plasmon的热电子探测器光电特性研究

• 作 者: 刘洵
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 热电子探测器 表面等离子体激元 TammPlasmon模型 光电特性

相较于传统的光电器件对金属材料的光吸收视为损耗的做法，热电子器件则是一类利用了金属中的光吸收激发电子的光电器件，近年来的金属热电子器件则与纳米工艺紧密地结合在一起，由于光入射纳米结构表面时的表面等离子体激元（SPs）的激发能使得光吸收得到极大增强，金属纳米热电子器件在光学特性方面具有独特的优势。而在常规的激发SPs的结构之外，近年来还发现了新型的表面共振态即TammPlasmons的存在与应用。热电子光探测器则是一种具有代表性的热电子光电器件，能够实现对特定波段的高可调谐性、高灵敏度的窄带光电探测，这一研究领域近年来在理论和实验上都被广泛研究，但在如何提升光电转换效率、热电子产生与收集的具体机制等方面还存在大量有待研究的问题。　　本论文在一种能激发TPs的新型光探测器结构的基础上进行研究，改进了这种结构并提出了能激发SPs的新型结构光探测器，深入分析了多层平板结构和光栅结构的主要结构参数对光学和电学特性的影响，通过设计合理的结构，进行相关光学和电学仿真计算得到了高效的光电转换效率。　　本文主要工作如下：　　（1）对激发TPs的多层平板结构光探测器的结构参数的优化设计进行了深入分析，仿真模拟了该结构各层的光吸收率和净吸收率。在布拉格波长和DBR层数之外，还讨论了中间层材料和厚度对光吸收率的较大影响；用类似的方法对一种Au纳米条阵列结合中间层和底部Au平板层结构的光探测器进行了仿真模拟，详细讨论了不同的Au纳米光栅周期和每个周期内的光栅宽度这两个参数对光吸收率大小和吸收峰波段的调谐作用，找到一组结构在目标波长820nm附近实现了相当高的光吸收效率，还讨论了最合适的顶层Au高度和中间层厚度。　　（2）设计了一种将纳米Au条周期性排布与DBR相结合的多层光探测器结构，该结构通过DBR多层结构产生的TPs与纳米光栅阵列产生的SPs的耦合，产生了全新的特殊共振模式，得到的净吸收率远高于单纯的产生TPs的DBR结构和纳米光栅结构光探测器。仿真计算结果表明，Au纳米光栅周期为100nm的结构可以在820nm波段附近实现高效的耦合，得到吸收率很强的共振模式。　　（3）利用Drude模型和热电子能量分布的EDJDOS方法设计了电学仿真计算的方案，对以上多种能够实现高效光吸收的光探测器结构的电学响应进行了讨论，找到了光学响应和电学响应共同取得高效增强的结构参数和共振模式。对纳米Au条周期性排布与DBR相结合的多层结构光探测器结构，获得了高达0.4mA/W的光电流响应度，是未改进的方案的4倍，还讨论了势垒高度和偏置电压对光电流响应度的影响，得出了完整回路的光电流响应度的变动范围，为实验中制备高效的新型热电子光探测器以及光电响应性能测试提供了参考。