電漿子 / 波導窄頻紅外線發射器及量子點偵測器

研究介紹

我們發展出一個具有窄頻寬紅外線發射且高功率發射的紅外線光源。其基本結構為在矽基板上製做一個上下是金屬層而中間為介電質材料所組成的三層結構如圖一所示。我們實驗室分別於2006年及2010年發展出了表面電漿子(圖一)/波導(圖二)模態的窄頻紅外線熱輻射發射器，其最上層結構為具有週期性結構的金屬銀，發射可藉由週期性孔洞的週期與介電質材料層的厚度所決定。此元件具有低成本、製成簡單與窄頻寬發射等特性，將可應用於光學式氣體偵測系統提升偵測之準確度。

本實驗室發展出一個結構簡單的量子點紅外線偵測器。我們發展出一個提升操作溫度的新方法，在多層量子點結購的中間加入一層量子井結構，此層量子井結構扮演一個載子提供者的角色，可迅速補充足夠的載子進入多層量子點結構，藉由此方法可將偵測器的操作溫度由絕對溫度50k推升至絕對溫度230 K(圖三)。本實驗室也發展出可室溫操作的窄頻紅外線偵測器(圖四)。此偵測器元件利用位於電極之間的金屬結構所產生的侷域型表面電漿子共振來吸收窄頻波長，我們利用不同波長之窄頻紅外線照射，證實此窄頻紅外線偵測器具有波長選擇性如圖五所示。此元件具有低成本、製成簡單與窄頻寬吸收等特性，將可應用於光學式氣體偵測系統提升偵測之準確度。

圖一: 表面電漿子熱輻射發射元件之(a)側視圖 (b)俯視圖。二氧化矽厚度為100奈米。上層金屬孔洞為六角晶格排列，孔洞週期及直徑分別為３及１.５微米。(c) 元件於不同溫度之熱輻射發射頻譜。　(d) 元件於攝氏300度之發射頻譜(放大圖)。
圖二：波導型熱輻射發射元件之(a)側視圖及(b)俯視圖，其中a1 及 a2 為週期性孔洞之週期，d為孔洞之直徑。(c) 元件加熱至300度時之熱輻射發射頻譜。
圖三: (a)量子點紅外線偵測器之結構示意圖，其結構為n型參雜量子井埋藏於多層堆疊之量子點結構之中。(b) 紅外線偵測器之穿透式電子顯微鏡影像。 (c) 單純量子點結構之響應頻譜(於絕對溫度50k的環境)。　(d) 具有量子井埋藏於量子點結構之響應頻譜(於絕對溫度230度)。
圖四：(a)窄頻紅外線偵測器之結構示意圖。 (b) 照光與定電壓條件下之電流值關係圖(點:實驗值 線:趨近線)(0-90秒:遮板關閉(未照光)，90-180秒:遮板開啟(照光))　(c) 窄頻紅外光偵測器之光譜響應。

參考文獻

  1. M. W. Tsai, T. H. Chuang, C. Y. Meng, Y. T. Chang and S. C. Lee, 2006, “High performance midinfared narrow-band plasmonic thermal emitter”, Appl. Phys. Lett., 89, 173116.

  2. T. Wu, Y. T. Chang, H. H. Chen, H. F. Huang, D. C. Tzuang, Y. W. Jiang, P. E. Chang, and S. C. Lee, 2010, “Narrow Bandwidth Mid-Infrared Waveguide Thermal Emitters”,,IEEE Photon. Tech. Lett. Vol. 22, No. 15, 1159.

  3. H. Chen, Y. T. Chang, S. Y. Huang, F. T. Chuang, C. W. Yu and S. C. Lee, 2012, “Two infrared emission modes with different wavelengths and orthogonal polarization in a waveguide thermal emitter”, J. Appl. Phys., 112, 074325.

  4. -H. Lee, Z.-M. Wu, Y.-M. Liao, Y.-R. Wu, S.-Y.Lin, and S.-C. Lee,2013, “The operation principle of the well in quantum dot stack infrared photodetector” Appl. Phys. Lett., 114, 244504.