中科院上海技术物理所&南洋理工Nat. Commun.：表面等离子体诱导长波光子探测

金也 7年前 (2017-12-05) 5469浏览

【引言】

毫米波和太赫兹等长波光子光电探测器有广泛的应用领域，如：气象学、天文学、医疗、通讯和生物等领域。基于光生电子空穴原理的传统半导体光电探测器不适用于长波光子（LWPs）的探测，由于长波光子（LWPs）能量小而背景噪音大。市场上常用的LWP探测器包括有高莱（Golay）探测器、热电元件、辐射仪和肖特基二极管等。但是以上等探测器都面临着各自的问题，如高莱探测器和热电元件的响应速度慢，辐射仪需要在超低温（4.2 K）才能工作，肖特基二极管则需要先进的器件制备与材料生长技术。过去十几年间，很多研究者致力于LWP探测的开发。发展了一系列新型的LWP探测器件。如，基于子带间跃迁的太赫兹量子阱红外探测（需要高质量的量子阱，低温工作）；太赫兹场亚微米沟道的效应晶体管；基于二维材料石墨烯的LWPs探测器件等。

近期，亚波长结构中的表面等离子体激元（SPPs）吸引了大量的研究工作，包括光传输、冷冻原子操纵、滤波、等离子体器件、太阳能电池等。SPPs的关键性能来源主要归功于非平衡电子。由于金属的等离子体频率一般位于可见或紫外光谱，因此在金属中实现毫米波和太赫兹波段的强力SPPs效应是极其困难的。

【成果简介】

  近日，中科院上海科技物理研究所黄志明教授、南阳理工大学张道华教授（共同通讯作者）等在Nat. Commun.上发表了一篇名为“Surface plasmon induced direct detection of long wavelength photons”的文章。研究者通过精准的结构设计与材料选择，成功地研发出一种基于SPPs效应的欧姆型金属-半导体-金属（OMSM）光探测器件，可以直接检测毫米波与太赫兹波。常温下，该探测器的噪声等效功率（NEP）达到1.5 × 10−13W Hz−1/2。

【图文简介】

图1：OMSM器件结构

(a). 天线辅助OMSM结构；

(b). 零偏压时，能级对称没有光电流；

(c). 加偏压时，能级倾斜，电子定向移动形成电流。

图2：Au和InSb构成的OMSM结构的数值模拟

(a). 裸InSb（L=150 μm）在0.151 meV的入射光下的数值模拟结果；

(b). Au-InSb-Au结构（S=90 μm）在0.151 meV的入射光下的数值模拟结果；

(c). 天线辅助Au-InSb-Au结构（S=90 μm）在0.151 meV的入射光下的数值模拟结果。

图3：天线辅助Au-InSb-Au结构的模拟性能结果

(a). 原位等离子体激元强度与入射光强的关系；

(b). 入射0.151 MeV光子时天线辅助OMSM结构的不同偏振角的SPPs强度；

(c). 入射0.151 MeV光子时裸InSb的不同偏振角的SPPs强度；

(d). E2/Emax2与入射光子能量的标准化曲线；

(e). 不同半宽度的器件的E2/E02强度的空间分布函数

图4：天线辅助Au-InSb-Au结构的性能表征

(a). 常温下，s=90 μm器件的I-V曲线，红线为拟合曲线；

(b). 器件在25 mW的0.151 meV光照射，调制频率为300 Hz条件下，光电压随偏置电流的变化曲线，插图为示波器记录曲线；

(c). 300Hz，直流偏置为3.5 mA条件下，器件光电压与输出光功率的变化曲线；

(d). 直流偏置为3.5 mA，输出光功率为25 mW条件下，器件的光电压空间偏振分布曲线；

(e). 器件光电压的空间分布曲线；

(f). 直流偏置为3.5 mA条件下, 器件的光电压随入射光子功率0.13-0.165 meV的变化曲线；

(g). 直流偏置为3.5 mA条件下, 器件的光电压随入射光子功率1.36-1.43 meV的变化曲线；

图5：温度对器件（s=90 μm）的性能影响

(a). 77 K时，器件的I-V曲线；

(b). 光功率为25 mW的0.151 meV的入射光子条件下，光电压与温度的变化曲线；

(c). 77 K时，光电压与偏置电流的变化曲线；

(e). 器件分别在77、237、297 K时的光电压与光调制频率的变化曲线。

【小结】

   该研究通过巧妙的结构设计与材料选择（天线辅助型OMSM结构与InSb半导体），成功的提出了一种基于SPPs效应增强型的探测毫米波与太赫兹波段的新策略。常温下，该类探测器的等效噪声功率达到1.5×10-13W Hz-1/2，响应度高达50 V/W。此外，这类器件易于制造和操作，同时我们认为这项工作将开辟一条LWP探测的新途径。

文献链接：Surface plasmon induced direct detection of long wavelength photons (Nat. Commun. 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01828-2)

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