紅外光電檢測對光譜、夜間監控、紅外導引、光通信等應用領域具有重要意義。近年來，CMOS技術的發展使Si基光電子器件得到廣泛應用，由于硅（Si）自身帶隙較大，普通的硅基光電探測器通常無法在超過1200nm的近紅外光譜區域有效工作。

為了解決這個問題，科學家們在硅材料表面沉積一層金屬薄膜，形成金屬-半導體之間的肖特基結，金屬中自由電子吸收光子能量后可穿過肖特基勢壘，并進入硅材料中形成光電流。這種響應的截止波長由勢壘高度決定，從而打破了半導體帶隙的限制。在這個依賴熱電子發射的光電響應機制下，金屬結構對器件的近紅外探測性能有較大影響。目前，基于如傳輸表面等離激元共振（PSPR）、局部表面等離激元共振（LSPR）和諧振腔共振等，納米棒、納米線、光柵等各種金屬納米結構已被證明可增強熱電子光電響應。然而，這類結構的量子效率仍較低，這些精細規則的納米結構增加了生產工藝的復雜性和生產成本，使其無法實現大規模、低成本制造。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳沁課題組聯合東南大學教授王琦龍，在低成本高效硅基熱電子紅外光電探測器方面取得系列進展。科研人員提出了金（Au）納米顆粒修飾硅金字塔結構的方案，實驗證明，他們制備的這些器件的性可與精心設計、成本高昂的硅基近紅外光電探測器性能相當，有望應用在大規模熱光伏電池和低成本紅外檢測中。相關研究成果發表在Nanotechnology上。科研人員采用的工藝十分簡單，通過使用標準的各向異性化學濕蝕刻法來實現Si基金字塔的構建；在其表面濺射一層金薄膜；通過快速熱退火法形成修飾的金納米顆粒；在金字塔那面通過磁控濺射沉積ITO薄膜，在另一面通過熱蒸發沉積鋁膜作為背電極；樣品通過銦錫焊接到芯片載體上，完成探測器的制作（圖1和2）。他們發現，金字塔表面增強了入射光子與金納米顆粒之間的耦合效應，因為金字塔表面減少了背反射光并使光子在金納米顆粒內部多次反射，增加了入射光走的距離，金納米粒子的引入還使得器件的局部電磁場產生了增強，從而使光子可以被顯著吸收，提高了光電轉換量子效率。

圖1 金納米顆粒裝飾的硅金字塔制造工藝的示意圖和實驗結果SEM圖

圖2 金納米顆粒-介質-金反射鏡結構的硅基熱電子光探測器，能帶結構、光學表征和實驗SEM圖

圖3 光電測試分析結果

研究人員采用了金納米顆粒-介質-金反射鏡的結構，充分利用無序金屬納米顆粒的寬帶高光學吸收和Au/TiO2/Si組成的全向肖特基結，在光學與電學兩個方面同時入手提高光電轉換的內外量子效率。這種密集的隨機熱點（hot spot）分布提升了光吸收與熱電子發射的效率，光電響應度是目前最高結果之一，硅光電響應截止波長擴展到近2um，展示了有效的近紅外硅基光電應用。此外，通過時間分辨的IV正反偏壓測試分析，他們剖析了光熱電過程中熱電子光電效應和光熱效應的關系，揭開了前人工作中忽視的熱電子光發射過程寄生的光熱效應，為表面等離激元增強的熱電子發射在光電轉換、光催化、光傳感應用提供了重要的依據和參考。相關結果發表在Laser & Photonics Reviews上。

該工作得到國家自然科學基金委和中科院的支持。