一文知道肖特基二极管的热电子极化效应

出处:衡丽电子 发布于:2020-10-29 15:10:50

  当光入射到金属纳米结构时,会产生一种独特的光学现象,称为局域表面等离子体共振(LSPR),它是由金属中的自由电子与入射光子发生共振而引起的自由电子的集体振荡。在LSPR激发后,表面等离子体激元可以通过辐射或非辐射效应进行衰变,其中辐射衰变是通过重新发射光子的机制进行的,而非辐射衰变可以通过朗道阻尼将金属内部的电子激发成为热电子。这些被激发的热电子的寿命很短,这主要是受到金属内部电子间的散射驰豫所致。为了利用这些被激发的热电子,人们提出了一种将金属纳米结构与半导体接触而形成肖特基结的器件。对于距离肖特基结界面在平均自由程范围内的热电子,若其具有足够的能量而且在满足一定的动量条件下,就能克服势垒的高度而转移到半导体的导带内,对光电流产生贡献,如图一所示

  图一

  但是,由于热电子和肖特基结本身的特性,基于这种机制来收集热电子的效率非常低,从而限制了这类器件的光电转化效率,影响了器件的性能参数。目前大量的研究工作仍在致力于探索如何有效提高热电子的收集效率这一问题。近年来,有研究者提出通过将金属纳米结构嵌入半导体材料中,在金属结构周围形成三维的肖特基结,从而可以从多个方向收集到金属内部被激发的热电子,进而极大的增加了光电转化的效率。近年,韩国高等科学技术学院的相关研究者在采用这种三维肖特基结的基础上探索入射光的偏振方向与肖特基势垒的界面所成的角度对热电子收集效率的影响,其研究结果指出,在斜入射的条件下,可以观察到热电子的极化效应;对于三维的肖特基结结构,纵向模式的入射光所产生的光电流远大于入射光为横向模式所产生的光电流,相关的研究成果已经发表在国际期刊ACS Photonics上。

  如图二所示为该研究团队设计的器件结构示意图,这器件的制作方法是在二氧化钛的表面上沉积一定厚度的金薄膜,然后在高温快速退火的条件下形成金纳米结构,   在金纳米结构上再沉积一层二氧化钛,金属纳米结构能被二氧化钛覆盖,从而在金属纳米结构的周边就能形成三维的肖特基结,图三分别是没有形成金属纳米结构、没有沉积上层二氧化钛和三维肖特基结器件在相同的测试条件下测得的光电流响应。

  图二

  图三

  如图四所示为设置的控制入射光的入射角和偏振方向的原理图,该装置跟踪光电流随入射角度和偏振光方向的响应,其测得的光电流如图五所示,图六所示为入射光的横向模式和纵向模式的示意图。

  


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