双重等离子共振自驱动高性能宽波段Si肖特基光电探测器的研究

摘要

光电探测器是一种利用光电效应将辐射能转化为电信号的器件，它是光电系统的重要组成部分。其中宽波段光电探测器在多波长成像、通讯、过程控制以及安全监控方面均具有重要的应用价值。目前光电探测器的探测范围主要由光敏材料的禁带宽度决定。然而由于缺少具有宽波长响应的单一材料，往往需要复杂的制备流程将多种材料结合在一起才可以制备得到探测波长范围覆盖广的光电探测器，这严重束缚了宽光谱光电探测器的发展。
　　本课题提出一种新型等离子体共振光电探测器件结构，以减少探测器对光敏半导体禁带宽度的依赖，通过双重等离子体共振电极，拓宽探测器的光电探测波长范围，同时获得较高的器件性能。主要工作内容是在平面硅肖特基光电探测器中引入金纳米颗粒(AuNPs)/石墨烯(Graphene)/AuNPs混合电极，系统研究混合电极对硅(Silicon，Si)肖特基光电探测器性能的影响及内在机理。
　　实验和理论模拟结果显示两层金纳米颗粒间通过单层石墨烯分隔，间距为亚纳米量级，双重等离子体共振效果相比于单层金纳米颗粒显著增强，形成了大量光生热电子。与此同时混合电极的特殊结构保证了热电子的有效传输，因此探测器最终的有效探测波长范围为360-1330nm。其可在紫外-可见-近红外工作，光电探测器在紫外波段的探测性能得到了改善，并在长波波段打破了Si自身1.2ev禁带宽度的束缚。此外由于混合电极与Si形成肖特基结，因此该探测器可在零偏压下工作，节省能耗。同时探测器具有优异的高频性能，3dB带宽为780kHz，响应速度约为360ns，噪声等效功率仅为1.6×10-8W。此研究成果为等离子共振光电探测器的研究及性能提升提供了很好的借鉴，可以推进双重等离子共振在光电器件中的应用。

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摘要

第一章 绪论

1．1 光电探测器的简介

1．1．1 光电探测器的光电效应

1．1．1 光电探测器的发展及国内外研究现状

1．2 光电探测器的分类

1．2．1 紫外光电探测器

1．2．2 可见光电探测器

1．2．3 红外光电探测器

1．3 光电探测器的结构分类

1．3．1 光电导型光电探测器

1．3．2 pn结型光电探测器

1．3．3 p-i-n型光电探测器

1．3．4 雪崩二极管

1．3．5 肖特基结型二极管

1．4 表面等离子体共振在光电领域的应用

1．5 光电探测器的特性参数

1．5．1 光吸收

1．5．2 量子效率

1．5．3 光电流和暗电流

1．5．4 光谱响应度和频率响应度

1．5．5 噪声等效功率和线性行动态范围

1．5．6 上升下降时间和归一化探测率

1．6 本章小结

第二章 石墨烯的合成制备及其特点

2．1．石墨烯基础知识简介

2．1．1 石墨烯的发展历史及其背景介绍

2．1．2 石墨烯的主要性质

2．1．3 石墨烯的能带结构

2．1．4 石墨烯的制备方法

2．2．1 石墨烯的合成

2．2．2 石墨烯的转移

2．2．3 石墨烯的表征

2．3 本章小结

第三章 双层金纳米颗粒的制备及其光学性能的研究

3．1 金属纳米颗粒的背景发展

3．2 金属纳米颗粒的制备

3．2．1 化学气相反应法

3．2．2 掩膜板刻蚀法

3．2．3 物理方法

3．2．4 微乳液法

3．3 金纳米颗粒的制备及其表征

3．3．1 双层金纳米颗粒的实验制备流程

3．3．2 双层金纳米颗粒的表征

3．4 金纳米颗粒表面等离子体共振的理论模拟分析

3．4．1 金纳米颗粒的表面等离子体共振

3．4．2 有限元理论模拟的介绍

3．4．3 基于有限元分析的方法模拟双层金纳米颗粒的光谱吸收和电磁场特性

3．6 本章小结

第四章 双重等离子体共振Si肖特基光电探测器的研究

4．1 双重等离子体共振Si肖特基光电探测器的制备

4．1．1 实验所需材料

4．1．2 实验设备及仪器

4．1．3 光电探测器的制备流程

4．2 双重等离子体共振Si肖特基光电探测器的性能表征

4．3 双重等离子体共振Si肖特基光电探测器的能带机理分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况