中科院上海技術物理所&南洋理工Nat. Commun.：表面等離子體誘導長波光子探測

【引言】

毫米波和太赫茲等長波光子光電探測器有廣泛的應用領域，如：氣象學、天文學、醫療、通訊和生物等領域。基于光生電子空穴原理的傳統半導體光電探測器不適用于長波光子（LWPs）的探測，由于長波光子（LWPs）能量小而背景噪音大。市場上常用的LWP探測器包括有高萊（Golay）探測器、熱電元件、輻射儀和肖特基二極管等。但是以上等探測器都面臨著各自的問題，如高萊探測器和熱電元件的響應速度慢，輻射儀需要在超低溫（4.2 K）才能工作，肖特基二極管則需要先進的器件制備與材料生長技術。過去十幾年間，很多研究者致力于LWP探測的開發。發展了一系列新型的LWP探測器件。如，基于子帶間躍遷的太赫茲量子阱紅外探測（需要高質量的量子阱，低溫工作）；太赫茲場亞微米溝道的效應晶體管；基于二維材料石墨烯的LWPs探測器件等。

近期，亞波長結構中的表面等離子體激元（SPPs）吸引了大量的研究工作，包括光傳輸、冷凍原子操縱、濾波、等離子體器件、太陽能電池等。SPPs的關鍵性能來源主要歸功于非平衡電子。由于金屬的等離子體頻率一般位于可見或紫外光譜，因此在金屬中實現毫米波和太赫茲波段的強力SPPs效應是極其困難的。

【成果簡介】

? 近日，中科院上海科技物理研究所黃志明教授、南陽理工大學張道華教授（共同通訊作者）等在Nat. Commun.上發表了一篇名為“Surface plasmon induced direct detection of long wavelength photons”的文章。研究者通過精準的結構設計與材料選擇，成功地研發出一種基于SPPs效應的歐姆型金屬-半導體-金屬（OMSM）光探測器件，可以直接檢測毫米波與太赫茲波。常溫下，該探測器的噪聲等效功率（NEP）達到1.5 × 10^?13W Hz^?1/2。

【圖文簡介】

圖1：OMSM器件結構

(a). 天線輔助OMSM結構；

(b). 零偏壓時，能級對稱沒有光電流；

(c). 加偏壓時，能級傾斜，電子定向移動形成電流。

圖2：Au和InSb構成的OMSM結構的數值模擬

(a). 裸InSb（L=150 μm）在0.151 meV的入射光下的數值模擬結果；

(b). Au-InSb-Au結構（S=90 μm）在0.151 meV的入射光下的數值模擬結果；

(c). 天線輔助Au-InSb-Au結構（S=90 μm）在0.151 meV的入射光下的數值模擬結果。

圖3：天線輔助Au-InSb-Au結構的模擬性能結果

(a). 原位等離子體激元強度與入射光強的關系；

(b). 入射0.151 MeV光子時天線輔助OMSM結構的不同偏振角的SPPs強度；

(c). 入射0.151 MeV光子時裸InSb的不同偏振角的SPPs強度；

(d). E²/E_max²與入射光子能量的標準化曲線；

(e). 不同半寬度的器件的E²/E₀²強度的空間分布函數

圖4：天線輔助Au-InSb-Au結構的性能表征

(a). 常溫下，s=90 μm器件的I-V曲線，紅線為擬合曲線；

(b). 器件在25 mW的0.151 meV光照射，調制頻率為300 Hz條件下，光電壓隨偏置電流的變化曲線，插圖為示波器記錄曲線；

(c). 300Hz，直流偏置為3.5 mA條件下，器件光電壓與輸出光功率的變化曲線；

(d). 直流偏置為3.5 mA，輸出光功率為25 mW條件下，器件的光電壓空間偏振分布曲線；

(e). 器件光電壓的空間分布曲線；

(f). 直流偏置為3.5 mA條件下, 器件的光電壓隨入射光子功率0.13-0.165 meV的變化曲線；

(g). 直流偏置為3.5 mA條件下, 器件的光電壓隨入射光子功率1.36-1.43 meV的變化曲線；

圖5：溫度對器件（s=90 μm）的性能影響

(a). 77 K時，器件的I-V曲線；

(b). 光功率為25 mW的0.151 meV的入射光子條件下，光電壓與溫度的變化曲線；

(c). 77 K時，光電壓與偏置電流的變化曲線；

(e). 器件分別在77、237、297 K時的光電壓與光調制頻率的變化曲線。

【小結】

?? 該研究通過巧妙的結構設計與材料選擇（天線輔助型OMSM結構與InSb半導體），成功的提出了一種基于SPPs效應增強型的探測毫米波與太赫茲波段的新策略。常溫下，該類探測器的等效噪聲功率達到1.5×10^-13W Hz^-1/2，響應度高達50 V/W。此外，這類器件易于制造和操作，同時我們認為這項工作將開辟一條LWP探測的新途徑。

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

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