基于米氏超構(gòu)表面的像素集成長波多光譜Ⅱ類超晶格探測器

多光譜探測是大氣監(jiān)測、廢棄物檢測、食品安全和微生物檢測等應(yīng)用技術(shù)中不可或缺的一部分。多光譜探測系統(tǒng)按照波長可以分為短波（1.1 μm~2 μm），中波（3 μm~5 μm）和長波（8 μm~12 μm）。目前，長波紅外多光譜探測器主要包括碲鎘汞、Ⅲ–Ⅴ族超晶格、量子阱等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。然而，基于半導(dǎo)體材料多光譜探測系統(tǒng)通常需要配備復(fù)雜的光器件和精密光路，如分束器、濾光片等，這些傳統(tǒng)技術(shù)顯著的增加了動(dòng)態(tài)調(diào)制的復(fù)雜性，并阻礙多光譜系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院微納制造與系統(tǒng)集成中心和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所的合作科研團(tuán)隊(duì)在Applied Physics Letters期刊上發(fā)表了題為“Pixel-integrated Mie metasurface long-wave multispectral Type Ⅱsuperlattice detector”的最新論文。文中提出了一種集成了動(dòng)態(tài)可調(diào)的米氏（Mie）超構(gòu)表面（GAMS）的長波超晶格探測器，實(shí)現(xiàn)了器件響應(yīng)峰值在反向偏壓下連續(xù)調(diào)諧，范圍達(dá)340 nm。該探測器的黑體探測率在78 K時(shí)達(dá)到了5×101?cm·Hz1/2，并且光譜切換速度達(dá)11 KHz。該論文第一作者為中科院綠色智能技術(shù)研究院肖磊博士，通訊作者為中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院孫泰副研究員。

在這項(xiàng)研究中，報(bào)道了一種集成了動(dòng)態(tài)可調(diào)的Mie超構(gòu)表面的長波超晶格探測器。通過復(fù)合石墨烯輔助耗盡Mie結(jié)構(gòu)，該裝置的響應(yīng)峰值可以在反向偏壓下連續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)諧，調(diào)諧范圍高達(dá)230 nm。此外，對(duì)近場條件下GAMS結(jié)構(gòu)內(nèi)光生載流子的產(chǎn)生和分離進(jìn)行了分析，揭示了該結(jié)構(gòu)在光耦合和載流子操縱方面的優(yōu)異潛力。該探測器的D*達(dá)到了5×101? cm·Hz1/2@77 k（600 K黑體輻照），并且光譜切換速度達(dá)到了11 KHz。這一成就實(shí)現(xiàn)了像素級(jí)集成的多光譜探測能力，并且該器件的制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝兼容。

該Mie超構(gòu)表面的超晶格探測器架構(gòu)如圖1所示，GAMS在PIN型超晶格臺(tái)面上制備，光柵深度1.1 μm，達(dá)到I型吸收區(qū)域。器件的光譜調(diào)控通過調(diào)控GAMS結(jié)構(gòu)的折射率特性實(shí)現(xiàn)。

圖1 GAMS器件結(jié)構(gòu)

對(duì)GAMS結(jié)構(gòu)施加外部偏置電壓會(huì)顯著改變自由載流子的濃度，從而導(dǎo)致諧振波長的變化和器件響應(yīng)峰值的變化。同時(shí)GAMS結(jié)構(gòu)還會(huì)將入射輻射集中在器件的吸收區(qū)域，增強(qiáng)光載流子的分離，實(shí)現(xiàn)高靈敏探測，如圖2a所示。隨后，研究人員對(duì)該器件的性能進(jìn)行測試分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)米氏多光譜探測器機(jī)制

此外，研究人員利用設(shè)計(jì)與模擬仿真軟件（TCAD）進(jìn)一步仿真了GAMS器件的自由載流子的調(diào)控特性，通過優(yōu)化吸收區(qū)摻雜濃度，該器件展示出較高的黑體響應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 GAMS器件的自由載流子控制特性

最后，為抑制反向偏壓器件的熱漂移噪聲，研究人員采用了金和石墨烯電極的組合，用石墨烯覆蓋GAMS結(jié)構(gòu)的表面，輔助GAMS結(jié)構(gòu)耗盡。石墨烯輔助耗盡器件響應(yīng)光譜的動(dòng)態(tài)調(diào)制效果如圖4所示。

圖4 石墨烯輔助耗盡器件響應(yīng)特性

在這項(xiàng)工作中設(shè)計(jì)并制造了基于Mie介質(zhì)超構(gòu)表面的電門控GAMS結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由單層石墨烯和摻雜Mie介質(zhì)光柵組成。在長波超晶格器件上制備了GAMS結(jié)構(gòu)后，器件的光電響應(yīng)可以通過外加偏置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。Mie多光譜探測器在長波波段實(shí)現(xiàn)了340 nm的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)諧，器件D*達(dá)到5×101?cm·Hz1/2?？傮w而言，該Mie多光譜探測器具有高速、高性能、超緊湊、制造可擴(kuò)展性和FPA兼容性的優(yōu)點(diǎn)，為長波波段像素級(jí)集成高性能動(dòng)態(tài)多色探測器提供了一種新的解決思路。

這項(xiàng)研究項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中科院“西部之光”計(jì)劃、中國科學(xué)院重點(diǎn)研究計(jì)劃等支持。

審核編輯：彭菁