用特殊纳米材料让普通硅芯片高效探测红外光

硅基光电探测器具有与CMOS工艺兼容、成本低、响应速度快等显著优势，是大规模集成光学和电子功能的理想平台。然而，硅的本征带隙约为1.1 eV，这使得硅光电器件无法有效吸收和检测红外光，从而限制了其在通信、医疗诊断和遥感等红外领域的应用。为突破这一限制，研究人员尝试了多种方法，如开发锗或III-V族/二维材料混合探测器、通过掺杂进行带隙工程以及利用内光电发射效应等，但这些方法往往增加了制备复杂度并降低了量子效率。另一种途径是将硅探测器与上转换纳米颗粒（UCNPs）集成，利用UCNPs的反斯托克斯过程将低能红外光子转换为高能可见光光子，但此前这类探测器的响应度较低（仅8 mA/W），提升上转换效率仍是亟待解决的问题。本研究提出了一种基于无序米氏-等离激元超表面与UCNPs集成的高效硅基红外光电探测器。该无序超表面设计通过改变纳米柱位置引入无序度（用参数σ量化），既能将电场限制在硅纳米柱内，又能拓宽从可见光到近红外的光吸收范围。UCNPs（NaYF4:Er@NaYF4）被集成到超表面中，可将入射红外光上转换为多波长可见光，这些可见光光子通过铝膜与硅衬底之间的肖特基势垒被检测。三维时域有限差分法（FDTD）模拟显示，无序超表面破坏了平移对称性，扭曲了光子能带结构，增强了光子局域化并抑制了镜面反射，从而提升了近场强度和宽带光捕获能力。实验结果表明，在1550 nm近红外激光照射下，该探测器在室温下的响应度达0.22 A/W，外量子效率为17.6%，与现有UCNPs技术相比响应度提升了28倍。这项设计不仅提高了光电流性能，还成功将硅光电探测器的工作波长扩展到红外光谱，为下一代宽带硅基光电器件（如可与可调超表面集成的小型化红外光谱仪）提供了有前景的发展方向。