近红外光电探测器常被应用在目标探测、夜视、安全检查、环境监测、视频和生物医学成像等领域。GaAs半导体材料因其具有直接带隙、较高电子迁移率、耐高温、低功率、从紫外到近红外的宽吸收光谱等优点，广泛应用于光探测领域。然而，受限于半导体材料本身的吸收特性，光电探测器响应度受到限制。利用等离子体结构可以有效增强光电探测器的光吸收率与局部电场，从而提高光电转换效率。但由于使用了基于叉指和光栅结构的等离子体电极，这些光电探测器的性能对入射光的偏振有着很强的依赖性，这种偏振依赖性是未来光谱学和光通信系统的一个重要问题。
据麦姆斯咨询报道，近期，广东工业大学的科研团队在《广东工业大学学报》期刊上发表了以“基于等离子体微腔增强光吸收的近红外偏振不敏感光电探测器”为主题的文章。该文章第一作者为尹良伍，通讯作者为刘文杰副教授。
本文提出了一种基于金属−半导体−金属腔的偏振不敏感的光电探测器结构，利用金纳米圆柱的二维阵列作为等离子体电极，金纳米圆柱的二维对称性能够不依赖于入射激光的偏振而激发等离激元共振。通过F-P腔与等离元表面晶格共振模式（SLR）的耦合增强光场局域，从而提高光电探测器的光吸收和响应度。
如图1(a)所示是本文提出的偏振不敏感的光电探测器的金纳米圆柱阵列结构图，探测器主要由三层结构组成，顶层为金纳米圆柱阵列，通过覆盖一层氧化铟锡（ITO）来连接成一个整体，作为上层的等离子体电极，用于激发等离激元与外加偏置电压。中间层为GaAs半导体层，GaAs半导体作为光电探测器中主要的光吸收材料，通过共振吸收光子能量，激发载流子，实现光电转换，载流子在外加偏置电压的作用下定向移动。底层为金反射镜层，金反射镜能够最大限度地减小结构的光透射率，增加结构的光吸收。另外，底层金反射镜作为下层等离子体电极，与上层的金纳米圆柱阵列共同组成等离子腔。如图1(b)所示为器件单个周期的俯视图，金纳米圆柱阵列周期用T表示，半径用R表示。如图1(c)所示为器件总体结构图。如图1(d)所示为器件单个周期的截面图，金纳米圆柱厚度用h₀表示，GaAs半导体层的厚度用h₁表示，底层金的厚度用h₂表示。
图1 具有金纳米圆柱阵列的偏振不敏感的等离子体微腔光电探测器示意图
通过时域有限差分方法研究了器件的光学性能，通过有限元法研究了器件的电响应。其中，采用连续周期条件对器件的单个周期进行建模求解，大大减少了计算量。在电响应的研究中主要用到了仿真软件COMSOL Multiphysics中的半导体模块和电磁波−频域模块的耦合。模拟中所用到的电学与光学参数如表1所示。
如图2(a)所示，对器件的GaAs厚度h1进行参数扫描，从图中可以得到在波长800 nm处有1个明显的等离子体共振模式P1（黑色虚线所示）以及2个不同阶数的共振模式P2（白色虚线所示）。P1受P2影响，随着波长的增加，P1会与不同阶数的P2耦合。
选择波长800 nm处对应的GaAs厚度，对光电探测器的上层金纳米圆柱的半径R进行扫描，如图2(b)所示，P2模式不随半径R的变化而发生移动，然而，随着R的增大，P2模式的线宽变窄。P1随着半径R的增大而红移。说明模式P1受金纳米圆柱半径影响。
为了进一步探究P1与P2模式的产生，扫描了器件的周期T，如图2(c)所示。白色虚线代表的P2不随周期变化而变化，而黑色虚线代表的P1会随着周期变大而红移，P1模式和P2模式会在A0处耦合在一起。P1、P2模式以及其耦合处的电场如图2(d)~(f)所示。
图2 模式分析图
优化参数后，本文计算了结构的整体光吸收率和结构各部分的光吸收率，如图3(a)所示。黑色实线为结构的整体光吸收曲线，吸收率为94.7%。图中红色虚线为结构中GaAs半导体的光吸收曲线，吸收率可以达到81.1%，蓝色虚线表示上层金纳米圆柱的吸收曲线，金纳米圆柱的吸收率为4.3%，绿色虚线为下层金反射镜层的吸收曲线，吸收率为9.1%。底层金反射镜的存在能够减小光的透射，与金纳米圆柱形成F-P腔，从而将入射光大量局域在GaAs半导体中，使半导体中光吸收增强，通过吸收更多的光子能量，激发足够多的光生载流子，增加光电探测器的光电流，从而提高器件的响应度。另外，金属−半导体−金属的垂直型结构不仅能够在超薄半导体中增强光吸收，还能减小电极间间距，缩短载流子输运的距离，提高器件的性能。
本文还研究了ITO对光电探测器吸收性能的影响，如图3(b)所示，红色虚线为没有ITO覆盖的GaAs吸收率，黑色实线为覆盖了ITO的GaAs吸收率，可以看到，黑色实线吸收峰的位置相较于红色虚线发生了红移，覆盖ITO之后，金纳米圆柱周围的环境由空气变为了ITO，环境折射率的变化会影响LSPR共振波长的移动，折射率变大时，LSPR共振波长会发生红移。
图3 结构的整体和各部分的光吸收率
模拟正常入射时不同偏振方向对吸收性能的影响。吸收光谱如图4(a)所示，随着偏振角度的变化，吸收性能不会发生变化。器件的吸收对入射光偏振不敏感是由于金纳米圆柱阵列的几何对称性，这代表着器件在不同的偏振条件下都能保持稳定的吸收与响应特性，相较于偏振依赖的光电探测器有着更广阔的应用领域。接下来，研究了斜入射对TE极化（偏振角为0）下吸收性能的影响，吸收光谱如图4(b)所示。入射角从0°增加到30°，吸收峰的位置保持不变，等离子体吸收响应被有效地保留下来。在±30°下保持器件的有效响应，能够提高光电探测器在实际应用中对入射光角度的容错率。
图4 偏振及入射方向对光吸收的影响
计算响应度与光电流随偏置电压、入射光功率变化的情况如图5所示。图5(a)显示了光电探测器在入射光功率为10 mW、波长为800 nm时的响应度与光电流随偏置电压变化的情况。图中可以看出器件响应度与光电流的变化趋势保持一致。外加偏置电压使GaAs中产生的光生载流子定向移动，电压增大时，载流子速度越快，电极收集到的载流子越多，光电流也就越大。响应度是光电探测器产生的输出信号与输入辐射功率之比，描述的是光电探测器的光电转换效能，是表征探测器灵敏度水平的一个重要参量。
图5 响应度与光电流随偏置电压与入射光功率变化的情况
综上所述，本文提出了一个基于GaAs半导体的偏振不敏感的近红外光电探测器。通过金纳米圆柱阵列的几何对称性实现了不同入射光偏振角度下的稳定吸收。研究了纳米等离子体金圆柱的周期、半径和半导体厚度等几何参数对光电探测器光电流的影响。通过参数调整，金纳米圆柱阵列激发的SLRs与FP腔的强耦合作用使器件的总吸收为94.7%，GaAs的净吸收能够达到81.1%；在入射光偏置电压为5 V、功率为10 mW的情况下，光电探测器在800 nm波长时的响应度为0.37 A/W。最后，展示了器件光电流与响应度对外加偏置电压与入射光功率的依赖情况。
DOI: 10.12052/gdutxb.230038
