《Micro and Nanostructures》：Infrared Detectors Based on LSPR-Enhanced Floating-Gate AlGaN/GaN HEMT Structures
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提出一种集成局域表面等离子共振增强机制的红外探测器架构，采用AlGaN/GaN HEMT平台，通过悬浮钯多孔纳米膜实现宽带红外吸收和高效热载流子生成，结合 recessed-gate设计和p-GaN帽层降低肖特基势垒，仿真显示在1.5μm照射下响应度达834.48nA/W，SNR为25.42，为室温操作的CMOS兼容红外传感器提供新框架。
吴阳坤|董志华|邓天松|林家木|陈泽林|李旭|孙宇|李成
杭州电子科技大学电子与信息工程学院，中国杭州310018
摘要
我们提出了一种新型红外探测器架构，该架构将局域表面等离子体共振增强机制集成到了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管平台上。引入了一种悬浮的钯多孔纳米膜作为栅电极和等离子体层，实现了宽带红外吸收和高效的热载流子生成。此外，我们还引入了一种凹陷栅极设计，并结合了p-GaN覆盖层，这在基于等离子体增强的GaN探测器中也有所报道，显著降低了肖特基势垒高度并促进了接近欧姆的接触行为。采用多物理场仿真方法（结合了时域有限差分法和Silvaco TCAD软件）来分析所提出器件的光学吸收、载流子动力学和电气特性。结果表明，在1.5 μm的照明条件下，基于GaN的等离子体红外探测器的响应度提高了834.48 nA/W，信噪比为25.42。这些发现为室温操作和兼容CMOS的红外传感器件提供了新的框架，为未来的等离子体探测器集成提供了理论见解和数值验证。
引言
随着现代技术的不断发展，红外探测在包括夜视成像[1]、光通信[2]、健康监测[3]和温度传感[4]在内的多个领域中发挥着越来越重要的作用。由于红外辐射具有强大的穿透能力和低光子能量，红外探测器能够高效地感知并将不可见的红外信号转换为电信号[5]，从而满足了技术和社会发展的多样化需求。
根据工作原理，红外探测器通常可以分为两大类：热探测器和光子探测器[6]。光子探测器通过光生载流子过程响应红外信号，以其快速响应速度和高信噪比（SNR）而闻名。然而，要实现高性能往往需要在低温条件下工作。根据载流子生成机制的不同，光子探测器可以进一步分为本征型（例如PbS、HgCdTe、InSb）、非本征型（例如Si:Ga、Si:As）、金属-半导体肖特基势垒探测器（光电发射型）和量子阱红外光探测器（QWIPs）。与传统本征或非本征探测器相比，金属-半导体肖特基势垒红外探测器具有结构简单、无需复杂的外延或掺杂工艺以及与CMOS或HEMT集成电路兼容等优点[7]。这些特性使得它们成为开发室温操作、低成本和高度集成的红外探测器的理想选择。此外，通过金属纳米结构设计，可以灵活调节其光谱响应，从而实现优异的波长选择性和可控性。
近年来，局域表面等离子体共振（LSPR）作为一种增强光到电转换的关键物理机制而受到广泛关注。当入射光在特定频率下激发贵金属纳米结构中的自由电子时，会产生LSPR，导致局部电磁场显著增强和高效的光捕获[8]。研究表明，LSPR不仅提高了光学吸收效率，还通过生成“热电子”促进了直接的光电检测[9]。当在金属-半导体界面形成肖特基结时，LSPR诱导的热载流子可以通过内部光电发射过程增强红外信号响应。因此，将等离子体纳米结构融入红外探测器设计中，为定制光-物质相互作用和载流子动力学提供了有效手段，为实现室温操作和提高器件灵活性提供了有前景的途径，而无需依赖复杂的外延结构或低温条件。
另一方面，高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其独特的二维电子气（2DEG）结构而成为传感器技术中的研究焦点。与传统的基于硅的场效应晶体管（FETs）不同，HEMTs将高密度、高迁移率的2DEG载流子限制在异质结界面形成的量子阱中，从而对表面电位变化具有极高的敏感性[10]。这一结构优势使得HEMTs非常适合高灵敏度传感应用。特别是基于GaN的HEMTs在高温[11]和化学恶劣环境[12]下表现出优异的稳定性，这归功于它们的宽禁带、热稳定性和化学惰性。它们已广泛应用于气体、生物传感和电化学传感领域，成功用于检测pH值[13]、H2[14]、NO2[15]、DNA[16]、RNA[17]和蛋白质[18]等。
基于上述分析，本研究提出了一种新型器件架构，将LSPR结构集成到传统的AlGaN/GaN HEMT器件中，构建了一种LSPR浮栅红外探测器。在这种架构中，金属纳米结构用于激发LSPR以增强红外光响应，同时作为HEMT的活性栅电极。通过利用2DEG通道的表面电位敏感性，实现了高效的红外信号调制和转换。与传统的AlGaN/GaN量子阱红外探测器相比，所提出的LSPR浮栅HEMT器件具有更简单的结构、更宽的波长可调范围以及在工艺兼容性、室温操作性和集成可扩展性方面的显著优势，为下一代基于GaN的等离子体红外探测器应用展现了巨大潜力。
设备架构
图1展示了所提出的MOS-HEMT器件的示意图。由于蓝宝石具有优异的热稳定性和机械强度，因此被选为基底材料。在蓝宝石基底和GaN缓冲层之间插入了一层AlN成核层，以提高生长GaN的晶体质量并抑制位错传播。厚度为1.976 μm的GaN缓冲层作为2DEG通道的传输平台。
仿真设置
使用Lumerical FDTD软件对Ppn的光学吸收性能进行了仿真。采用了波长范围为0.8–2.4 μm、辐照度为1 W/m2的平面波源。Pd的光学常数使用软件内置材料库中的“Pd (Palladium) – Palik”模型进行定义，以确保与实验测量数据的一致性。仿真结构包括一个具有周期性纳米孔阵列的Pd薄膜，薄膜厚度范围
结果与讨论
本节展示了Ppn的红外吸收和LSPR诱导的电场增强的仿真结果。基于理论建模，推导并计算了从浮栅到AlGaN势垒层的热电子注入效率。随后对所提出的器件进行了光学响应仿真，证明了基于AlGaN/GaN的结构在红外探测应用中的可行性。最后，进一步优化了器件性能
结论
本研究通过将Ppn浮栅集成到AlGaN/GaN HEMT结构中，提出了一种高效的器件设计，实现了LSPR增强的红外响应。仿真结果证实了该架构在增强红外吸收、提高热电子注入效率和优化电气响应方面的显著优势。该器件在1.5 μm红外照明条件下的响应度为201.04 nA/W，信噪比为4.82，显示出良好的红外探测性能
CRediT作者贡献声明
李成：研究。孙宇：软件、研究、数据管理。李旭：软件、研究、数据管理。吴阳坤：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究、数据管理、概念化。陈泽林：软件、研究、数据管理。林家木：方法论、数据管理。邓天松：软件、方法论。董志华：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、数据管理、概念化
未引用的参考文献
[29], [30], [31], [32]。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
