Science Advances：通过无序超表面增强上转换效应实现硅基红外光电探测

导读：

近日，厦门大学朱锦锋教授、新加坡科技设计大学 Joel K. W. Yang 教授联合新加坡科技研究局&新加坡科技设计大学 Zhaogang Dong教授等提出了一种基于无序超表面增强上转换效应的硅基红外光电探测方案，合肥工业大学陈威博士、新加坡国立大学Shutao Zhang及新加坡南洋理工大学 Chongwu Wang博士为共同第一作者。该设计通过无序结构增强局域光场和上转换效率，在室温下实现了对1550 nm红外光的高灵敏响应，外量子效率高达 17.6%。相关研究成果以标题 “Enabling Highly Efficient Infrared Silicon Photodetectors via Disordered Metasurfaces with Upconversion Nanoparticles” 发表于国际顶级期刊 Science Advances。

研究背景：

硅光电探测器因其CMOS兼容性、低成本、高稳定性和与电子元件易于集成的特性，被广泛应用于光通信、医疗诊断、环境监测等领域。然而，由于硅材料自身的带隙约为1.1 eV，其对波长超过1.1 μm的红外光吸收能力极为有限，从而严重制约了其在红外波段的应用拓展。将硅探测器与上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）相结合被认为是实现红外探测扩展的一个有前景方向。UCNPs 能通过反斯托克斯过程将低能红外光子转换为高能可见光子，从而使硅材料能够探测原本无法响应的红外信号。然而，现有的基于UCNPs的硅红外探测器仍受限于其低吸收系数与较低上转换效率，远低于实际应用需求。如何显著提升 UCNPs 的上转换效率，并实现与硅基光电结构的高效耦合，成为推动该方向发展的关键挑战。

研究亮点：

本研究提出的设计策略以铝/硅形成的肖特基结为核心，通过构建无序超表面结构并引入上转换纳米颗粒（UCNPs），可以通过反斯托克斯上转换过程（anti-Stokes upconversion）将入射红外光上转换为多波长可见光（如图1所示）。转换后的可见光光子可以通过铝/硅之间的肖特基势垒进行探测。无序超表面由随机分布的铝/硅纳米柱组成，可形成Mie–等离激元混合谐振，显著增强局域电场与光吸收，从而拓宽光谱响应范围。对于红外波长，无序超表面增强了陷光能力并提高了上转换效率。在可见光波长下，该结构将电场限制在硅纳米柱内，从而促进了高效的光子吸收和随后的电子-空穴对的产生。

图1 无序超表面与上转换纳米颗粒构成的硅基红外探测器结构示意图

为了研究无序超表面对硅基光电探测器的影响，通过改变纳米柱的位置将无序引入系统，并用参数σ来量化无序程度，如图2所示。当与σ=0时，超表面之间的排列方式固定，随着无序程度的增加，超表面阵列之间的组合方式出现了变化，甚至是重合。与的周期性Si结构相比，σ=0.7的无序度在可见波段的平均反射率降低了83%。总之，一系列系统研究表明，无序设计有可能显著提高超表面的光学性能，包括光反射减弱、近场局部化和吸收功率提升。

图2超表面的无序程度会显著影响可见光波段和红外波段的光吸收、近场增强以及铝/硅肖特基结的局域光能力。

为了验证可行性，利用电子束光刻技术制备了两个无序探测器样品，一个样品包含UCNPs，另一个样品作为对照，不包含UCNPs，如图3所示。我们表征带有 UCNPs的无序超表面的本征发光光谱，其中图 3e 显示在两个主要发射波段（~550 nm 和 ~650 nm）的强度显著增强。实验证明，在集成UCNP后，我们提出的无序超表面可以将1550 nm的红外光子转换为500-820 nm范围内能量更高的可见光子（E=hν）。更重要的是，该超表面在可见和红外双波段范围内表现出波长选择性和较高的光吸收能力，有望大幅提升光电流响应度。

图3 通过集成UCNP的无序超表面将红外光转换为可见光，可以看出自发辐射可以大致分为3个波峰，分别是550 nm，650 nm和810 nm

为了验证无序超表面与UCNPs相结合在硅基红外光探测中的可行性，搭建了如图4a所示的测试系统。无序超表面样品被固定在印刷电路板上，以实现稳定布线和光电流测量连接。左侧端口用于加偏压，右侧端口用于测量电流。为了对比研究，分别测试了含UCNPs和不含UCNPs的两组相同无序超表面样品。如图4b所示，在入射功率为0.4 mW的1550 nm CW激光照射下，不含UCNPs的样品在不同偏压条件下均未产生光生电流。而含UCNPs的样品则表现出显著的光生响应，在反向偏压为20 V时光生电流高达88 μA。这一结果表明，该设计有效地将硅基光探测器的功能扩展到了红外波段，突破了硅材料的带隙限制。此外，如图4c所示，对比平面区域与无序超表面区域的I–V特性曲线可发现，无序超表面在20 V反向偏压下的光生电流较平面结构提升约19倍。1550 nm近红外光照下，当入射功率为0.4 mW时，器件的光生电流为0.088 mA，对应的响应度为0.22 A/W，外量子效率（EQE）达到17.6%，其噪声等效功率（NEP）为2.06 pW/√Hz。

图4 提出的硅基红外光电探测器件在室温条件下对于1550 nm激光的光电测试，未附着UCNP的器件对红外入射光没有响应

总结：

总体而言，本研究提出的无序超表面增强上转换效应的策略为新一代宽带硅基光电器件的发展提供了重要路径。该方案不仅具备优异的红外响应性能，还为未来实现可调谐超表面集成的微型红外光谱仪等新型光电系统奠定了技术基础。

致谢：

该文章得到了南洋理工大学Qijie Wang教授、Xuran Zhang、新加坡科技研究局Yan Liu博士、Xiaodong Shi博士、厦门大学吴艺明教授以及新加坡国立大学Di Zhu教授等人的帮助和支持。

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx7783