通过局域表面等离子体共振的共振耦合在GaN上掺入等离子体纳米颗粒改善UV光电探测器的光响应*
1. 概述
非常小的金属纳米结构，即等离子体纳米颗粒（NP），可以表现出局域表面等离子体共振（LSPR）效应，这是一种通过入射光子激发表面电子的集体振荡而产生的强光吸收、散射和局域电磁场的特性。等离子体纳米颗粒的局域表面等离子体共振可以显著提高光电探测器的光响应。
在这项工作中，通过在探测器结构中引入各种等离子体纳米颗粒，证明了紫外线光电探测器的光响应显著增强。采用固态脱湿方法在GaN（0001）上制备了不同尺寸和元素组成的单金属Ag和Au 纳米颗粒，以及双金属合金AgAu纳米颗粒。根据纳米颗粒的几何和元素演变，对各种纳米颗粒的光响应进行了定制，从而高度增强了112 A W−1的光响应，检测率为2.4 × 1012 Jones与外量子效率为3.6 × 104%，以及在0.1V的低偏压下AgAu合金纳米颗粒的高Ag百分比。AgAu合金纳米颗粒检测器还表现出快速的光响应，相对较短的上升和下降时间分别小于160和630ms。AgAu合金纳米颗粒的光响应改善与强等离子体吸收和散射的同时作用、热电子向GaN导带的注入增加以及合金纳米颗粒/GaN界面势垒高度的降低有关。
2. 样品制备
在本研究中，采用来自中芯晶研的蓝宝石上外延生长的c面GaN（0001）模板制备了各种单金属和双金属纳米颗粒，并将样品用于制造紫外（UV）光电探测器。该GaN模板厚度约为 5µm厚，导电类型为n型，电阻率 < 0.5 ohm·cm和位错密度< 1×108 cm–2。
首先，将大晶片切割成6块 × 6平方毫米的正方形片。然后，在600°C的脉冲激光沉积（PLD）室中，在1 × 10–4 Torr真空压强下，对基板进行脱气处理，用于去除截留的氧化物、颗粒物和水蒸气。脱气后，检查裸GaN表面形态和光学特性，如图1（a）所示。表面形态清楚地显示出原子台阶(< 0.6nm平均高度）的波纹。
随后，在清洁的GaN（0001）衬底上沉积各种厚度的Ag、Au单层和Ag/Au双层膜。金属膜的沉积以1 × 10–1的压强在溅射室中进行，沉积速率为0.05 nm s−1（20 s等于1 nm），电离电流为3 mA。首先，沉积Ag（8和15nm）和Au（3和5nm）薄膜，在GaN上制备不同尺寸的纯Ag和Au纳米颗粒。其次，沉积两系列总厚度为5（Ag3Au2、Ag2.5Au2.5、Ag2Au3）和7nm（Ag4Au3、Ag3.5Au3.5、Ag3Au4）的AgxAuy（x和y为相应的层厚）双层，以制备具有不同尺寸和元素组成的AgAu合金纳米颗粒。对于纳米颗粒的制造，Ag和AgAu双层膜在500℃下退火，而Au膜在650℃下退火。对于UV光电探测器的制造，将Au电极沉积在每个纳米颗粒样品上，并将裸GaN作为参考，在样品上放置200µm间隙的荫罩，然后通过溅射沉积100nm厚的Au电极。
图1 裸GaN、Ag/GaN和Au/GaN样品的形态和光学分析：（a–c）相应样品的AFM侧视图。GaN上的Ag和Au 纳米颗粒的直径分布直方图；（d）Rq（RMS粗糙度）和SAR（surface area ratio）的汇总图；（e–g）裸GaN、Ag和Au样品在UV–VIS–NIR区域的反射光谱
3. 结论
总之，本工作基于固态脱湿方法，在GaN（0001）上研究了不同尺寸和元素组成的单金属和双金属纳米颗粒对UV光电探测器的光响应。用各种单金属Ag和Au以及双金属AgAu合金纳米颗粒证明了UV光电探测器的动态和改进的光响应。具体而言：
1） Ag百分比越高的AgAu合金纳米颗粒的响应度最高为112 A W−1，检测率为2.4 × 1012 jones，在0.1 V下及0.03 mW mm−2下外量子效率为3.6 × 104%。与之前报道的基于GaN的UV光电探测器相比，这是一个优越的结果；
2）所制造的UV光电探测器在相对较低的电压下工作，即低于1V，或者甚至在无偏压（自驱动模式）下工作，并且已经显示出非常灵敏和稳定的光电流响应；
3）在合金纳米颗粒中，Ag浓度的增加导致性能的提高，这得益于增强的光吸收和散射、热电子转移以及GaN界面处势垒高度的降低；
4）与裸GaN器件相比，在不牺牲响应时间的情况下显著增强了光电流。
利用FDTD模拟以及金属纳米颗粒和GaN的能带理论，系统地讨论了光电流增强的机理。这项工作对于推进GaN基紫外探测器具有巨大的潜力。
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