图2-1晶体中原子排列示意图图2-1晶体中原子排列示意图图2-2晶胞的晶格常数和轴间夹角表示方法2.1.1.3典型的金属晶体结构在金属晶体中，由于原子趋于紧密排列，所以常见的金属材料中，除了极少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的金属晶体结构有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。......
2023-06-24
金属微纳结构改善PD的红外响应
【摘要】：对于前文所述Sun等人制备的具有周期性三维纳米结构的ZnOMSM-PD器件［315］，他们还将金纳米颗粒引入ZnO薄膜中制备了MSM-PD，不仅提高了ZnO薄膜的紫外光响应，还将可探测范围扩展到长波段。2017年，Wen等人将一层随机分布的金纳米颗粒作为表面等离激元吸收体，引入到Si和TiO2两个电子接受半导体层中间，这种同时结合光吸收和电子发射／收集的MSM-PD器件，在通信波长1500nm处实现了高的光响应率3.3mA／W［379］。
通常的光电探测器件以半导体作为光吸收层，当入射光子能量低于半导体材料带隙时，半导体材料不能吸收光，这限制了一些较宽带隙半导体材料在光通信以及红外探测领域的应用［358］。利用热载流子发射机制［211，212，359］可以突破这一限制。最早的关于热载流子MSM-PDs的报道见于20世纪70年代［360，361］。平直型金属薄膜的吸光能力较弱，发射热载流子的效率比较低。2011年，Wang与Melosh将棱镜耦合激发的表面等离激元模式作为Au／Al2O3／Au垂直型三层结构的入射光，相比于直接照射，大大提高了器件的响应率［215］。此外，金属微纳结构也可高效激发表面等离激元［158，362］，使入射光在金属结构的周围被高效捕获，这相比于平直型金属薄膜而言，有利于产生更多的热载流子，而且还可以实现对入射光的选择性吸收［363］。当然，热载流子发射机制除了应用于MSM-PDs中以外，也可用于单肖特基［363-367］或其他类型的探测器中。
最直接的激发表面等离激元方式是将电极做成光栅形状［216，358］，包含一维光栅［197，216，358，363，365，368，373，374］和二维光栅［190，365，366，369，375］两种类型。例如，对于Au／Al2O3／Au垂直型三层结构，Chalabi等人将接收光的电极做成百纳米的阵列条［216］，当条形金属电极的宽度不同，所激发的表面等离激元共振模式不同，相应的器件响应率不同。由于条形阵列电极是一维光栅，所以该器件还具有很好的偏振选择性［216］，若要消除偏振敏感性，可将金属电极制作成二维光栅。如果把条形电极进一步变形，做成扭曲形状，则可以实现对圆偏振光旋转方向的感知［373］。Ge等人仿真了一种具有不对称金属纳米叉指电极的共面型SiMSM-PD，通过优化金属纳米叉指电极的宽度，实现了波长1310nm和1550nm处达0.45mA／W和0.25mA／W的响应率［358］。2015年，Wang等人则在MoS2MSM-PD叉指电极中的一组叉指上引入金属纳米天线［368］，如图6.8（a）所示，含有金属纳米天线的电极较不含天线的电极吸收光能力强，产生较多的热载流子，如图6.8（b）所示，相同偏压大小下，含有金属纳米天线的电极接正较相反情况可以实现较高的响应率。除了在平整半导体表面引入金属以外，还可以将半导体本身也光栅结构化［190，365，366，375］，再在其上方保形蒸发金属电极。苏州大学李孝峰团队还提出另外一种结构，即将底部金属电极首先图案化，再在上方保形制作半导体和顶部金属电极，如图6.8（c）所示［197］，与传统光栅结构相比，这种保形结构器件顶层金属光吸收率大于99%，有利于净电流的提高。2016年，Chou等人实验制备了具有二维保形光栅的TiO2热电子光电探测器［369］，结构示意图如图6.8（d）所示，实现光子能量低于带隙的宽光谱光电探测。
金属纳米颗粒也可以激发表面等离激元模式，它们也同样被用在热电子探测器中［367，370，376-379］。例如，Sobhani等人还在MoS2MSM-PD中引入了二氧化硅包覆的金属纳米颗粒，实现了器件性能的显著提升，结构示意图如图6.8（e）［370］。对于前文所述Sun等人制备的具有周期性三维纳米结构的ZnOMSM-PD器件［315］，他们还将金纳米颗粒引入ZnO薄膜中制备了MSM-PD，不仅提高了ZnO薄膜的紫外光响应，还将可探测范围扩展到长波段。2017年，Wen等人将一层随机分布的金纳米颗粒作为表面等离激元吸收体，引入到Si和TiO2两个电子接受半导体层中间，这种同时结合光吸收和电子发射／收集的MSM-PD器件，在通信波长1500nm处实现了高的光响应率3.3mA／W［379］。
图6.8 （a）（b）叉指电极的一组引入了金属纳米天线阵列的MoS2MSM－PD结构示意图及电场分布图与能带示意图［368］；（c）具有一维保形光栅的垂直型ZnOMSM－PD结构示意图［197］；（d）具有二维保形光栅结构的Au／TiO2／ITO光电探测器结构及原理示意图［369］；（e）含金属纳米颗粒的MoS2MSM－PD结构示意图［370］；（f）Tamm表面等离激元热电子ZnOMSM－PDs结构示意图［371］；（g）基于慢波吸光原理的宽谱高效多MSM光电探测器结构示意图［372］。
除了使用上述激发表面等离激元的经典结构，还可通过Tamm模式及慢波模式设计性能更加优异的光电探测器。例如，2017年，Zhang等人理论研究了如图6.8（f）所示的含布拉格反射镜的垂直ZnOMSM-PDs的性能［371］，由于Tamm表面等离激元共振模式的激发，使得入射的光被强烈限制在顶部金属和相邻介质层之间的局部区域，这样超过87%的813nm红外光就会被顶部金属吸收，从而形成一个强的净光电流。这种器件也展示了窄带可调以及对入射光角度不敏感的特性。2016年，Sakhdari等人基于慢波吸光原理［362，380］提出了如图6.8（g）所示的热电子发射光电探测器件，该结构实际上是多个MSM器件并联在一起，不同位置的MSM元件实现了对不同波长光信号的感知，并且基于慢波原理可以实现对入射光的高效捕获，多个MSM组合在一起便实现了宽谱范围的高效光电探测性能［372］。
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