硅基光電探測器憑借成熟的CMOS兼容工藝、低成本與高集成度優勢，壟斷可見光探測領域；但硅本征帶隙（~1.12 eV）限制其光響應僅止于1.1 μm，無法覆蓋短波紅外（SWIR）核心波段。基于金屬/硅肖特基結的內光電效應熱電子探測，是突破硅帶隙限制、實現短波紅外響應的關鍵路徑；等離子體納米結構可局域增強光場、提升熱電子產生效率，但傳統光柵、納米天線等結構依賴電子束光刻等精密制程，工藝復雜、成本高，且金屬層厚大于電子平均自由程導致熱電子熱化損耗嚴重、抽取效率低下。
據麥姆斯咨詢報道，近日，蘇州大學的研究團隊提出嵌入式超薄共形滲流分形金屬網絡新結構：通過無光刻金屬蒸鍍與金屬輔助化學刻蝕（MACE），在硅基內部構筑自組織滲流金網絡，形成準全向肖特基界面，實現高密度等離子體熱點、寬帶光吸收與高效熱電子輸運抽取。器件在1.3 μm實現2.78 mA/W零偏響應度、51 μs超快響應，成功完成短波紅外單像素成像與光通信驗證，為CMOS兼容低成本短波紅外探測提供全新解決方案。相關研究成果以“Embedded Percolated Metallic Networks With Ultrathin Conformal Coverage for Enhanced Silicon Hot-Electron SWIR Photodetection and Single-Pixel Imaging”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。
器件結構設計與無光刻制備工藝
該光電探測器以n型硅為襯底，核心為嵌入式超薄共形滲流分形Au網絡，形成準全向金屬/硅肖特基結，具備三大核心優勢：（1）嵌入式結構構筑高折射率環境，增強等離子體共振強度與寬帶光吸收；（2）準全向肖特基界面大幅擴展熱電子注入動量空間，突破傳統平面界面動量匹配限制；（3）超薄共形金屬層（厚度接近電子平均自由程）抑制熱電子熱化損耗，縮短輸運距離，提升抽取效率。其中熱電子探測物理過程為短波紅外光子激發金屬等離子體共振，引發非輻射衰減產生高能熱電子，克服肖特基勢壘注入硅襯底，從而形成可探測光電流。圖1展示了硅基短波紅外光電探測器結構示意圖、制備工藝以及掃描電鏡圖（SEM）。
為了定量評估這種多尺度Au/Si結構所帶來的等離子體場增強效果，研究人員根據頂視SEM圖像模擬了該器件的實際橫向形態，相關結果如圖2所示。結果顯示，實驗吸收光譜與模擬結果高度吻合，驗證了嵌入式結構能夠有效增強寬頻段的等離子體效應，對短波紅外光的高效捕獲能力。
器件光電探測性能測試
為評定在嵌入式共形包覆Au/Si結構中制備的肖特基結質量，研究人員在室溫條件下對器件的光電性能進行了測試，相關結果如圖3所示。結果顯示，該器件在1.2–1.8 μm全短波紅外波段均呈現穩定光響應，外量子效率（EQE）達0.27%，內量子效率（IQE）達0.85%，較傳統平面結構提升一個數量級；與主流金屬-硅熱電子探測器對比，該器件實現性能與制程雙重突破。
為驗證這款具備亞帶隙短波紅外探測靈敏度與快速時間響應特性的硅基光電探測器的實際應用潛力，研究人員通過實驗驗證了其在單像素成像與光通信領域的應用可行性，相關結果分別如圖4和圖5所示。研究人員將該光電探測器集成到基于結構光技術的近紅外單像素成像系統（如圖4a）中，實現了硅片遮擋下64×64 像素無損短波紅外成像，可見光下完全遮擋的分辨率板圖案在短波紅外波段可清晰識別，證明了其在工業無損檢測、安防夜視領域的實用價值。
https://doi.org/10.1002/adfm.75918
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