红外偏振探测与成像具有增强成像对比度、检测噪声背景中的微弱信号和提升信号测量的信噪比等优势。基于等离子体热电子（plasmon hot electron）产生光发射效应，全硅探测器可在室温下近红外（NIR）波段实现偏振敏感的光电探测。

由复旦大学与中国科学院上海技术物理研究所组成的研究团队提出一种采用硅基结合超构表面材料研发的近红外偏振探测器，更能够实现室温工作、与硅基读出线路/存储线路等单片集成，实现存算一体的工作模式。相关研究成果以“Near-Infrared Polarization-Sensitive Detection by All-Si Plasmonic Hot Electron Detectors”为题，发表在Nano letters期刊上。复旦大学陈宜方教授和中国科学院上海技术物理研究所周靖研究员为该论文的共同通讯作者。

该全硅热电子探测器由周期性轻掺杂n型硅纳米线（Si-NW，掺杂浓度为3.8 ×10¹³ cm⁻³）组成，n型硅纳米线作为并联的导电通道，由两个铝（Al）电极电连接。第三个Al电极直接连接到p型硅衬底上，作为探测器的大背栅。隔离的超薄金（Au）天线周期性地放置在硅纳米线的顶部和底部，以形成纳米腔谐振器，从而在Au-Ti/Si界面上建立肖特基势垒，整体器件设计如图1所示。整个器件架构（如图1a）被视为Au天线/硅纳米线超构表面。

图1 全硅热电子探测器的设计

该Au天线/硅纳米线超构表面能够吸收具有高光学各向异性比的近红外光，该器件形态及偏振探测吸收特性结果如图2所示。接着，研究人员对该器件在近红外波段的光电特性进行了测试，相关结果如图3所示。

图2 Au天线/硅纳米线超构表面器件形态及偏振探测吸收特性

图3 Au天线/硅纳米线超构表面器件在近红外波段的光电特性

在这项研究中，研究人员以p型硅衬底作为背栅，进一步在四种不同的直流偏置下探究了门控对该器件光电性能的影响，相关结果如图4所示。

图4 电可调偏振敏感的光电响应

最后，这项研究分析了该器件的物理起源，并讨论了该器件的进一步发展方向。该基于全硅等离子体超构表面的热电子探测器主要通过两个步骤将光转换为电信号，即热电子的产生（如图 5a）和注入（如图 5b）。天线的光捕获能力、热电子分布以及Au天线/硅界面的质量等因素对器件的外部量子效率（EQE）均有很大影响。

图5 天线对器件EQE的影响示例

综上所述，这项研究介绍了一种采用基于Au天线/硅纳米线超构表面的全硅探测器，将高灵敏偏振光电探测范围从1.1 μm扩展到1.6 μm。该器件峰值响应处1.45 µm，峰值探测率达和响应率分别达到51.2 mA/W和8.05×10¹⁰ cm·√Hz·W⁻¹。更重要的是，该器件具有强烈的偏振敏感性，在1.55 µm的近红外波段实现的偏振光电流比为35:1。与基于锑化镓（GaSb）、黑磷和二硒化钯（PdSe₂）等材料的无滤光片近红外偏振探测器相比，该探测器与CMOS技术更兼容，这使其成为下一代无滤光片片上偏振计的有力候选者。