行業(yè) | 非制冷“納米線”中短波紅外光電二極管

磷化銦襯底上的InAs和InAsSb納米線可形成適用于焦平面陣列的室溫SWIR或MWIR光電二極管。

從軍事領(lǐng)域（根據(jù)導(dǎo)彈產(chǎn)生的熱量定位導(dǎo)彈）、科學(xué)領(lǐng)域（遙感、光譜學(xué)）到環(huán)境領(lǐng)域（氣體監(jiān)測、穿透霧霾），包括焦平面陣列（FPA）在內(nèi)的短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR）傳感器使許多重要的紅外傳感和成像應(yīng)用成為可能。然而，現(xiàn)有的實(shí)用型SWIR和MWIR傳感器都存在一個明顯缺陷：需要制冷。這包括了基于銻化銦（InSb）、碲鎘汞（MCT）和砷化銦/銻化鎵（InAs/GaSb）以及Ⅱ類超晶格FPA傳感器。對冷卻系統(tǒng)的需求增加了器件的體積，特別是對微小尺寸的光電探測系統(tǒng)來說，這將顯著增加成本和維護(hù)需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和英國卡迪夫大學(xué)（Cardiff University）的研究人員采用一種新方法解決了這個問題?？茖W(xué)家們發(fā)明的室溫非制冷SWIR和MWIR探測器由垂直生長于磷化銦（InP）襯底的InAs或InAsSb納米線陣列組成，使納米線與襯底的結(jié)合產(chǎn)生InAs-InP異質(zhì)結(jié)。然后可覆蓋一層氧化鋁（Al2O3）來鈍化該結(jié)構(gòu)，從而降低納米線表面的非輻射復(fù)合。

計(jì)算機(jī)模擬顯示，與平面非制冷InAs光電二極管相比，非制冷InAs(Sb)-InP納米線異質(zhì)結(jié)光電二極管的等離子體模式共振峰值D*可在3.0μm波長時達(dá)到3.5 × 1010cm Hz1/2W-1，這比平面光電二極管高了近10倍。

研究人員基于之前開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)工藝制備出了納米線光電探測器，使納米線在適當(dāng)波長范圍內(nèi)生長于為光電探測優(yōu)化的圖案上，然后用Al2O3鈍化。接著去除納米線尖端的鈍化涂層。利用納米線本身作為陰影掩膜，將金沉積在納米線承載表面上，再在金上制作一系列納米孔，就形成等離子體光柵（如下圖）。這種光柵非常重要：其作用是通過等離子體共振來增強(qiáng)入射光與納米線尖端的耦合。

示例中，SWIR器件的制造有效面積為200×200μm2。探測器表面包含1300nm間距、264nm直徑和1650nm高度的納米線。該器件的室溫光譜響應(yīng)峰值約在2.0和3.4μm，與等離子體共振相當(dāng)。

為實(shí)現(xiàn)在納米線陣列（如圖a）上生長金光柵，納米線本身（垂直生長）被用作陰影掩膜，以一定角度將金沉積到表面，會導(dǎo)致未沉積區(qū)域（暗區(qū)）。未來基于納米線的分離吸收倍增結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管（SAM-APD）將具有有刻面的納米線，以幫助緩解晶格失配應(yīng)變（如圖b）。

后續(xù)研究

加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員Dingkun Ren表示，未來基于納米線的紅外探測器將包含光子晶體光柵。這提供一種更好的方法來調(diào)整器件的峰值波長。在目前的自組裝等離子體結(jié)構(gòu)中，等離子體峰值波長是通過改變納米線間距（即納米線到納米線的距離）來調(diào)諧的。然而，控制不同納米線間距陣列上的生長均勻性是非常困難的。在新型的光子晶體光柵結(jié)構(gòu)中，將通過改變氣孔間距（airhole）來設(shè)計(jì)峰值，這可以簡單地通過光刻工藝進(jìn)行控制。Ren說，“這是一種更強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)！”

該研究團(tuán)隊(duì)還在設(shè)計(jì)SAM-APD，這是基于納米線和金屬光子晶體光柵的MWIR APD。這些器件可以在線性模式下工作，并通過內(nèi)部增益進(jìn)一步提高信噪比（SNR）。由于沒有可用的晶格匹配的大帶隙材料來制備SAM-APD結(jié)構(gòu)，因此在納米線生長過程中，通過納米線側(cè)壁面彈性調(diào)節(jié)應(yīng)變，可以實(shí)現(xiàn)具有大晶格失配的異質(zhì)外延。