基于表面等离激元效应的金属-半导体-金属型4H-SiC热电子光电探测器

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基于金属-半导体-金属(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)结构所制备的光电探测器具有响应率高、暗电流低、容易集成等优异的特性,所以在通信、传感、制导等很多前沿领域受到广泛的关注。Si C作为第三代半导体中的优秀代表,具有高临界击穿电场、高电子迁移率等明显的优势,是可以用来制造高压、高温、抗辐照等高效半导体器件的优异半导体材料。但是,因为Si C自身的带隙较宽,所以只能工作在紫外波段,这很大程度上限制了这种材料的应用范围,而由金属微纳结构所激发的表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)效应能够有效地俘获入射光,激发出的热电子可以有效提高光电探测率并拓宽探测响应光谱,是提高光电探测器性能的一种可行方法。合理地将金属纳米结构与Si C相结合,可以制备出探测光谱更宽,探测性能更高的MSM型热电子光电探测器。本论文以第三代半导体材料Si C作为研究对象,使用磁控溅射工艺与热退火工艺制备了MSM型热电子光电探测器,主要工作如下:(1)首先研究了基于不同掺杂类型的4H-Si C薄片所制备的水平结构MSM型4H-Si C光电探测器,得到本征4H-Si C薄片所制备的器件性能最佳。之后4H-Si C薄片上使用热退火法制备了Au纳米颗粒(Au Nanoparticles,Au NPs),并探究了其对金属/4H-Si C热电子光电探测器的性能影响,同时对此光电探测器的光学及电学性能进行了最优化调控,最终得到,该器件在表面等离激元热电子效应的作用下将4H-Si C光电探测器的探测范围从紫外波段拓宽到了可见光甚至近红外波段,与无Au纳米颗粒器件进行对比,该器件在660 nm时器件的光吸收值提高了19.6倍,瞬态光电流提高了28倍,响应率、探测率和EQE分别提高了26倍、21倍和36倍。(2)在之前工作的基础上制备了垂直结构的MSM型肖特基结光电探测器。在这项工作中,我们主要研究了不同金属材料所制备的透明电极对垂直结构MSM型金属/4H-Si C光电探测器性能的影响。研究发现,不同的金属材料所制备的透明电极对器件有不同的影响,其中以15 nm厚度的Au透明电极性能最佳。之后在器件中加入了Au纳米颗粒制备了垂直结构的MSM型热电子光电探测器,加入Au纳米颗粒该器件的吸收光谱有了明显的拓宽,且在660 nm时瞬态电流值上升了一个数量级。这项工作为以后垂直结构的MSM型金属/4H-Si C肖特基结热电子光电探测器奠定了一定的基础。总之,本论文提出了利用表面等离激元效应的策略,通过调节Au纳米颗粒的参数,实现了对4H-Si C光电探测器探测光谱的有效拓宽。此外,我们通过器件结构参数的进一步优化,使得器件的探测性能得到了很大的提高。本论文的研究成果为今后有效提升4H-Si C光电探测器性能提供了一定的研究思路。
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