摘要
等离子增强热电子（Hotelectron）效应是金属内部自由电子在表面等离子非辐射驰豫过程中被激发成为热电子的现象。被激发的热电子具有高于平衡态电子的能量，这一现象可以被用作光水解、光化学催化、光电转换等方面。在光电转换领域，等离子激发的热电子可通过金属和半导体接触界面的肖特基势垒，进入半导体导带成为可为外部探测的光电流。肖特基势垒高度通常低于半导体的禁带宽度，因此热电子光电转换可以被用来探测能量低于半导体禁带宽度的光子而引起了人们的广泛关注。本文从等离子结构的设计出发，理论模拟了两种等离子结构中不同等离子模式相互耦合及其在热电子光电器件的应用。实验上利用聚苯乙烯（PS）纳米球自组装掩膜和退火工艺制备金属纳米颗粒的方法研究了三种表面等离子增强热电子探测器件，实现了可见到红外波段的硅基热电子光电转换。具体的研究内容如下： （1）设计了混合模式耦合腔等离子增强热电子光电探测器，对硅基腔阵列结构的表面等离子特性进行了深入研究，发现这种腔阵列结构的共振耦合增强吸收来自于布拉格表面等离激元、金-空气腔等离子共振以及金-硅腔等离子共振。利用三种共振模式的相互耦合设计了波长可调至通讯波段的硅基热电子探测器。利用耦合模式可以实现同一个器件不同尺寸参数下的单波长宽谱吸收或者双波长窄带吸收，经过合理的优化，就可以实现高量子效率下的光谱可调谐探测。 （2）设计了可用于等离子增强热电子探测的超表面完美吸收体结构。用时域有限差分（FDTD）方法分别模拟了其吸收率和光学共振模式，提出了一种基于金渔网/二氧化钛介质层/银反射镜等离子结构光电探测系统，其中法布里-珀罗腔共振和局域等离子共振可以被激发增强热电子的产生。光子的吸收没有偏振敏感性，并且可以达到0.8-0.97。吸收峰值波长可以通过二氧化钛的厚度和金渔网结构中纳米线的宽度来调节。几乎所有吸收的光子都聚集在顶部的金渔网层上，这有助于热电子在肖特基势垒上的传输和发射。在700nm的波长下，理论响应度和外量子效率分别接近5mA/W和~1％。 （3）实验和理论研究了基于硅纳米柱结构的近红外波段热电子光电探测器。器件采用了自组装单层PS纳米球作为反应离子刻蚀的掩膜制备纳米柱阵列结构，这种制备方法实现了可大面积、低成本的热电子探测器制备。光子吸收主要来自于侧壁上传播的表面等离激元，从而在吸收谱上呈现不太依赖于波长变化的均匀光谱，响应谱主要依赖于波长的内量子效率。在1310nm波长处，实验展示了2.5mA/W的最大响应度，并且光响应波长可以延伸到大于1500nm的波长。这种硅基纳米柱阵列热电子红外探测器不依赖于昂贵的微纳加工技术，为其在硅光子集成提供便利，并且适用于低成本的大规模生产。 （4）实验和理论研究了基于由自组装PS纳米球掩膜刻蚀形成的二氧化硅纳米锥模板制备的热电子探测器。光子吸收主要由纳米锥侧壁上传播表面等离激元贡献。短路条件下器件的响应度在约620nm波长处显示出180μA/W的峰值。在反向偏压下，由于隧穿效应，随着电压增大，响应度峰值波长显示出逐渐红移并且峰值增大。通过增加反向偏置电压可以进一步改善器件的响应。该器件的制备工艺可与其他硅基器件兼容并且具有大面积低成本制备和应用的优势。 （5）实验和理论研究了基于SOI衬底的金-硅肖特基二极管用于热电子光电探测。法布里-珀罗腔共振增强了局域表面等离子诱导的热电子发射，在能量低于硅禁带宽度的红外波段显示出明显的响应峰。光响应受退火持续时间控制的金纳米结构形态的影响，并且在退火90s的器件中观察到最高的光响应度。这种基于SOI衬底的肖特基二极管与基于SOI的现代微纳光子学工艺兼容，提供了一种在SOI基底上拓宽硅材料在红外波段探测应用的解决方案。
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