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综述 | 表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

已有 954 次阅读 2019-12-11 10:28 |系统分类:论文交流

《中国科学:物理学 力学 天文学》中文版2019年第12期出版复旦大学安正华课题组综述文章,系统介绍了表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的设计和应用。


引 言

        自1800年William Herschel发现红外辐射后,红外探测逐渐成为现代光电技术领域的重要分支。以诺贝尔物理学奖获得者Wilhelm Wien, Max Planck等人为代表的科学家们建立了远场范畴的红外物理学基础(图1)。基于人们对远场红外物理学的科学认识,红外探测技术的发展经过了漫长而曲折的历程,直到上世纪60年代,光子型探测器才利用其材料特性优势显示出其在探测灵敏度上的巨大发展潜力。得益于分子束外延(MBE)技术的快速发展,半导体量子阱结构的材料质量、能带工程调控自由度和大面积等优势使得基于量子阱的红外探测技术得到了极其广泛的研究。


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图1  红外物理学奠基人(图片来自于网络)

        近年来,由于表面等离激元光子学的兴起,红外探测技术从传统的远场范畴被快速推进到近场范畴,人们报导了利用等离激元对于光的近场耦合引发了很强的红外探测增强效应。比如:Chu-Chieh Chang等人使用二维金属孔阵列结构实现了量子阱/InAs量子点红外光探测器,吸收增强130%。利用表面金属圆孔阵列结构可实现入射光从量子点红外光器件金属孔薄膜和衬底不同方向入射时的目标红外光探测,利用等离激元微腔的截止波长调控技术可制作单层量子阱长波红外光探测器。

        在主流量子阱红外探测器(QWIP)中,III-V族半导体材料研究最为广泛并在近期得到飞速发展。但是,基于子带间跃迁的QWIP属于非本征探测器,其光学吸收的横截面受到限制,单层量子阱光电耦合效率较低。为此,我们引入多种增强机制,分别采用表面等离激元光栅的近场场增强(SPP)效应和光敏浮栅(Photo-Gating)效应跨导放大机制,提升单层量子阱探测器的光电耦合效率和光导增益,从而提高器件探测性能。

表面等离激元光栅的设计及光学性质

        “Plasma”最早于1839年作为生物学名词出现,1928年美国物理学家Langmuir首次引入物理学,描述的是一种电中性电离气体。1902年Wood在金属光栅光学反射测量中观察到表面等离激元现象,1956年Pines首次从理论上解释了这种现象,归因于金属内的自由电子集体振荡。

        表面等离激元光栅(即SPP光栅)的研究始于Ebbesen等人发现的增强透射(Enhanced Optical Transmission, EOT)现象。1998年,Ebbesen等人首次发现当光入射到孔阵列的金属薄膜上时,其光学透射效率比传统的预测透射效率高1-2个数量级。这种用传统的电磁波衍射理论无法解释的奇异现象引起了广泛的关注,研究表明:金属的SPP使光子通过小孔隧穿到金属的另一面,然后又重新辐射,形成增强透射。周期性金属孔阵列结构可以把能量局域在金属的表面,这对新型光子和光电子器件的设计有很重要的意义,并且可以覆盖从微波、太赫兹到红外和可见光等很宽的波长范围。

        针对红外波段的SPP光栅设计与Ebbesen在可见近红外波段的增强透射SPP光栅有着明显的不同。图2给出了典型的红外SPP耦合光栅结构,光栅优化设计可以增强量子阱层处共振波长的光场强度,从而提高量子阱的光吸收效率。周期性金属孔阵列结构或金属块结构耦合光栅能够与远场光耦合,然后把入射光偏振转变成TM模式的电磁场,以满足量子阱对光吸收的选择定则要求。

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图2  周期性金属十字孔阵列量子阱器件示意图

        通过表面SPP光栅的褶皱设计并选择合适的暗模式也可以进一步提高微腔的场增强效应和TE-TM偏振转化效率。考虑到与CSIP器件的工艺兼容性,目前单层耦合的光栅制作工艺已经非常成熟,并被作为CSIP器件的标准耦合光栅。

CSIP器件工艺

        CSIP器件(Charge Sensitive Infrared Phototransistor)在2005年由An等人提出并实现,是一种基于GaAs/AlGaAs材料的双量子阱红外光探测器。CSIP器件的基本原理是利用孤立的上层量子阱作为光敏浮栅然后通过场效应放大机制得到光信号。最初CSIP器件采用的光耦合结构为二维金属正结构光栅(如图3所示),其主要功能为将入射TE光转化为量子阱激发所需的TM偏振态,实现量子阱对光吸收的选择定则。之后经过理论和实验对比,发现SPP耦合光栅在满足偏振转化功能的同时还具有更高的场增强效果,因此将优化的SPP耦合光栅作为CSIP的标准光栅。CSIP器件所用单晶材料结构是通过半导体能带结构原理设计的,光敏浮栅的基态和第一激发态之间的能级差可根据应用需要进行灵活调节。

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图3  电荷感应红外光电晶体管(CSIP)三维模型示意图

使用标准的微纳加工工艺,如紫外光刻、湿法腐蚀、蒸发镀膜、退火、电子束曝光等工艺可制备出不同尺寸的双量子阱红外光探测器件,然后快速退火形成欧姆接触,如图4所示。

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图4  标准六端器件的显微镜照片

SPP耦合CSIP器件性能

SPP耦合CSIP器件将表面等离激元的光场增强效应与半导体场效应结构的电荷放大效应有机结合在一起,从而实现优异的光电探测性能。器件性能测试在约5K的低温下进行,器件操作中采用光敏浮栅动态时序调控技术,可以实现并调控CSIP器件的长波红外光探测。同时,用傅立叶变换红外光谱仪的慢步进扫描可研究CSIP器件光吸收谱。实验研究表明,经过优化的SPP耦合CSIP器件光响应率达到1.2×104 A/W,比目前该波段的77K下工作商用MCT等探测器高约4个量级。CSIP器件独特的增益机理使其特别适合于背景辐照低的应用场合,进一步优化光敏浮栅量子阱的尺寸可以实现红外波段的单光子计数探测性能。

展 望

CSIP器件具有非常灵活的调控技术:可以通过调控表面等离激元耦合结构提高量子阱中光电耦合效率;可以调控量子阱能带结构,调控子带跃迁能量;有望将探测波长延伸至甚长波波段;有望拓展该类型器件的探测波长甚至研制多频段探测器,以适用于高灵敏探测;有望在前沿的宇宙航天探测中得到实际应用。焦平面阵列探测器的研制也是CSIP器件的一项非常有竞争潜力的目标。因此,CSIP器件具有很大应用前景。SPP光栅耦合CSIP器件是高灵敏度红外探测领域的一个新的方向,该器件在低辐射背景的红外探测领域有着很好的应用前景。



文章信息:
王恒亮, 徐洁, 安正华. 表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2019, 49: 124202
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA-2019-0058


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