基于表面等离激元和光学Tamm态的新型热电子光电探测研究

摘要

微纳光电探测器具有尺寸小、集成度高、响应速度快、功耗低等优点，具有广泛的应用价值。传统半导体光电探测器受材料限制只能探测禁带宽度以上的光子能量，而表面等离子激元（SPs）的共振波长可借助微纳手段有效调控，因此，基于SPs的光电探测原则上不受半导体能带限制。热电子光电探测是一种新型探测方法，它是金属中的电子被激发越过势垒形成光电流的过程，近年来在理论和实验上均有开创性进展。然而，对于该新兴领域，在热电子产生、输运机制、新型器件设计等方面还有大量工作有待深入。
　　本论文针对基于金属-绝缘体（无掺杂半导体）-金属（即：MIM或 MSM）的多层微纳结构热电子光电探测器的基本电磁学响应、热电子激发、共振波长调谐、内部载流子输运、载流子收集与光电响应优化等一系列光学电学核心科学原理和过程展开系统研究，旨在通过器件结构和科学机理上的创新获得高光电转换、窄带、角度低敏感等优良特性的热电子光电探测器件设计。
　　本论文取得的主要研究成果总结如下：
　　(1)提出了一种通信波段光栅结构光电探测器件，研究了光栅结构SPs热电子光电探测原理，并开展了器件光电性能的优化设计。通过深入探究光栅周期、填充因子、深度以及下层金属厚度等对 SPs共振的调控机制，获得目标波长处（1550nm）的高效光学吸收；进一步地，对热电子在光栅MIM结构中的输运问题做了解析和数值分析，获得器件电学输出性能；最后，考虑器件光学吸收与电学性能匹配因素，从光电域角度开展了系统的设计和优化，获得高效光电转换响应（无偏压下达到0.1mA/W）。
　　(2)设计了一种波长可调、具有强非对称吸收的共形金属光栅（MSM）SPs热电子光电探测器件结构，定量分析了器件电学响应特性。该设计通过有效分离上、下金属层的光吸收，获得近乎完美的非对称光学吸收特性，实现高光电流输出。与常规光栅结构相比，共形光栅结构热电子光电探测系统可获得超过98％的净吸收（常规光栅结构为38%）。与此同时，针对特殊的共形多层结构，研究了相应的热电子输运模拟方法。电学分析表明，共形光栅结构热电子光电探测系统的响应度是常规光栅结构的3倍以上，有效提高了器件性能。
　　(3)打破传统基于复杂微纳结构的SPs热电子光电探测系统限制，将光学Tamm表面态（OTS）用于热电子光电探测，获得结构简单、易于制备的多层平面结构热电子光电探测系统方案。首先研究了分布布拉格反射器（DBR）与金属薄膜中OTS的物理成因和调控原理；进一步，在OTS系统中引入MSM热电子光电探测核心结构，研究了OTS共振下MSM热电子光电探测系统的光学吸收性能；最后，通过详细的热电子输运研究，定量分析了 OTS热电子光电探测系统的光电流输出和光电响应。研究表明，采用OTS机制下的平面多层热电子光电探测系统虽然结构简单，但仍可获得与传统复杂微纳系统可比拟的光电转换性能，为低成本、高性能热电子光电探测应用提供了全新的设计方案。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究工作

第二章 热电子光电探测器的基本原理及研究方法

2.1 引言

2.3 表面等离子激元的几种常见激发方式

2.4 光与亚波长结构相互作用的计算模拟方法

2.5 热电子输运理论

2.6 本章小结

第三章 光通信波段热电子光电探测

3.1 引言

3.2 MIM热电子光电探测器的结构

3.3 器件光学性能调控

3.4 器件电学性能研究

3.5 本章小结

第四章 共形金属光栅结构热电子光电探测

4.1 引言

4.2 MSM光电探测器的结构及电学能带原理

4.3 器件光响应调控

4.4 器件电学参量的理论计算模型

4.5 共形光栅与普通光栅的性能比较

4.6 偏振态的响应特性及偏压的性能调控

4.7 本章小结

第五章 光学Tamm态平板结构热电子光电探测

5.1 引言

5.2 光学Tamm态简介

5.3 器件的理论结构模型

5.4 光学性能分析

5.5 偏压及势垒高度对探测器电学性能的影响

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

缩略语

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢