研究人员制作出纳米线雪崩光电探测器

美国研究人员制作出第一个等离子增强式(plasmonically enhanced)纳米线雪崩光电探测器(avalanche photodetector)。此器件透过表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP)吸收光线，并且兼容于一般半导体与硅芯片制程技术，未来可望应用于电信通讯、传感器及单光子探测器等。

雪崩光电探测器能将微弱光信号强化为电脉冲信号，常使用于电信通讯应用上。当入射光照射器件的半导体时，所产生的电荷载子(电子与空穴)在电场加速下会冲击并游离出其它电荷载子。此过程导致载子的雪崩，而提出形成的电流便可得到放大信号。缩小半导体中主动雪崩区的大小能提升光探测器的效能，而纳米线因为体积小能降低电容以及漏电流，或许可作为此类装置的理想建构单元。不过单一纳米线光探测器仅能吸收不到1%的入射光，导致器件的外部量子效率偏低，而其结构的大表面积体积比亦不利于载子传输。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Diana Huffaker等人发现将天线结构并入砷化镓纳米线器件中可克服上述限制。他们的器件包含核壳砷化镓p-n接面，其上有p型砷化镓光吸收器。该团队表示，该器件的特殊结构能独立控制光子吸收及载子倍增。透过测量器件的增益与电容值，他们发现3D光学天线会激发SPP布洛赫波模(Bloch wave mode)，藉此吸收光子并在纳米线尖端产生载子。将这些载子导入累崩倍增区可产生超过200的增益，已可媲美最先进的雪崩光探测器。

表面等离子(surface plasmon, SP)为电子集体震荡行为，与光子产生交互作用后可形成SPP。由于表面等离子较光子有更高的动量，因此需要栅状天线结构来与光子耦合。不过此UCLA团队成功地在纳米线内产生电场热点，有助于制作微型高效率光探测器。此纳米线雪崩光探测器与三五族和硅基板的兼容性甚佳，因此该器件可望作为量子通讯系统中的单光子探测器、光互连中的纳米光电二极管，以及焦平面阵列上的像素单元。

该团队目前正研究如何在高速器件中采用此纳米线雪崩光探测器，并希望将操作波长控制在科技上重要的1.55 μm窗口，以及找出更精准的掺杂分布以供设计三维雪崩区参考之用。