奈米線累崩光偵測器問世
- 上線日期：2013/2/8 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國研究人員製作出第一個電漿子增強式(plasmonically enhanced)奈米線累崩式光偵測器(avalanche photodetector)。此元件透過表面電漿極化子(surface plasmon polariton, SPP)吸收光線，並且相容於一般半導體與矽晶片製程技術，未來可望應用於電信通訊、感應器及單光子探測器等。
累崩式光偵測器能將微弱光訊號強化為電脈衝訊號，常使用於電信通訊應用上。當入射光照射元件的半導體時，所產生的電荷載子(電子與電洞)在電場加速下會衝擊並游離出其他電荷載子。此過程導致載子的累崩，而擷取形成的電流便可得到放大信號。縮小半導體中主動累崩區的大小能提升光偵測器的效能，而奈米線因為體積小能降低電容以及漏電流，或許可作為此類裝置的理想建構單元。不過單一奈米線光偵測器僅能吸收不到1%的入射光，導致元件的外部量子效率偏低，而其結構的大表面積體積比亦不利於載子傳輸。
加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Diana Huffaker等人發現將天線結構併入砷化鎵奈米線元件中可克服上述限制。他們的元件包含核殼砷化鎵p-n接面，其上有p型砷化鎵光吸收器。該團隊表示，該元件的特殊結構能獨立控制光子吸收及載子倍增。透過測量元件的增益與電容值，他們發現3D光學天線會激發SPP布洛赫波模(Bloch wave mode)，藉此吸收光子並在奈米線尖端產生載子。將這些載子導入累崩倍增區可產生超過200的增益，已可媲美最先進的累崩光偵測器。
表面電漿子(surface plasmon, SP)為電子集體震盪行為，與光子產生交互作用後可形成SPP。由於表面電漿子較光子有更高的動量，因此需要柵狀天線結構來與光子耦合。不過此UCLA團隊成功地在奈米線內產生電場熱點，有助於製作微型高效率光偵測器。此奈米線累崩光偵測器與三五族和矽基板的相容性甚佳，因此該元件可望作為量子通訊系統中的單光子偵測器、光學內連線中的奈米光電二極體，以及焦平面陣列上的像素單元。
該團隊目前正研究如何在高速元件中採用此奈米線累崩光偵測器，並希望將操作波長控制在科技上重要的1.55 μm窗口，以及找出更精準的摻雜分佈以供設計三維累崩區參考之用。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl303837y。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/51998
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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