胡偉達(dá) 李慶 陳效雙 陸衛(wèi)?

1)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083)

2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100084)

1 引 言

紅外輻射指在電磁輻射頻譜中介于可見(jiàn)光和微波之間、波長(zhǎng)范圍在0.76—1000 μm的電磁波.紅外輻射是在1800年被英國(guó)天文學(xué)家Herschel[1]利用分光鏡和水銀溫度計(jì)首次發(fā)現(xiàn)的,涂黑的水銀溫度計(jì)也成為了人類歷史上第一個(gè)紅外探測(cè)器,如圖1所示人類對(duì)紅外輻射的研究自此開始.在那之后的一百多年里,雖相繼發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)[2]、光伏(photovoltaic,PV)現(xiàn)象[3]、光電導(dǎo)(photoconductive,PC)現(xiàn)象[4],但只有利用光熱電效應(yīng)的紅外探測(cè)器被實(shí)際使用,人們沒(méi)有領(lǐng)會(huì)到紅外輻射所蘊(yùn)含的豐富信息,紅外探測(cè)器的發(fā)展也較為緩慢.進(jìn)入20世紀(jì)后,普朗克提出了能量的量子化假說(shuō),愛(ài)因斯坦建立了光電效應(yīng)理論,使人們對(duì)光的量子性有了深入的了解,利用光電效應(yīng)探測(cè)紅外光有了理論支撐,紅外光電探測(cè)器(簡(jiǎn)稱紅外探測(cè)器,如若特殊聲明,本文所提到的紅外探測(cè)器都是特指光子型的紅外光電探測(cè)器)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)代.1917年,美國(guó)人Case[5]在軍方的支持下利用Tl2S研制出世界上第一個(gè)光導(dǎo)型紅外探測(cè)器,但由于器件性能不穩(wěn)定、噪聲太大、可重復(fù)性低等原因,項(xiàng)目在1918年夭折.1930年,德國(guó)研究人員首先對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行了改進(jìn)[6,7],并在1933年發(fā)現(xiàn)了PbS紅外光子探測(cè)器,探測(cè)波長(zhǎng)可達(dá)到3 μm.19世紀(jì)30年代,美國(guó)無(wú)線電公司發(fā)明了顯像管,這使得紅外探測(cè)器的應(yīng)用前景得到了拓展.在第二次世界大戰(zhàn)期間,PbS探測(cè)器以及紅外顯像管等作為國(guó)家絕密武器在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用,直到1945年人們才逐漸知道并認(rèn)識(shí)到紅外探測(cè)器的重要性,紅外探測(cè)器技術(shù)自此成為了軍事領(lǐng)域重要的研究方向之一.二戰(zhàn)結(jié)束后,紅外探測(cè)在通信、消防和遙感系統(tǒng)也展現(xiàn)了其巨大的應(yīng)用價(jià)值,具有更好性能的PbTe,PbSe和InSb等紅外探測(cè)材料也相繼被發(fā)現(xiàn)和使用[8,9].但是這些鉛鹽半導(dǎo)體紅外探測(cè)器熱膨脹系數(shù)大而難以與硅工藝集成制備大陣列器件且量子效率偏低;低溫工作環(huán)境下性能較高的InSb材料探測(cè)截至波長(zhǎng)只能到中波紅外.1959年,英國(guó)人Lawson與他的合作者們[10]發(fā)明并人工合成了HgCdTe材料,這對(duì)近60年來(lái)紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了極其重大的影響.

胡偉達(dá),男,1979年出生,研究員,博士生導(dǎo)師.國(guó)家杰出青年獲得者,中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、國(guó)家優(yōu)秀青年基金、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓高級(jí)學(xué)者基金獲得者.Infrared Physics ＆ Technology副主編、Optical and Quantum Electronics 執(zhí)行主編、美國(guó)SPIE DCS Defense and Security-Infrared Technology and Applications、International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices等系列國(guó)際會(huì)議程序委員.現(xiàn)工作于中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要從事紅外探測(cè)器的機(jī)理和應(yīng)用研究.

陸衛(wèi),男,1962年出生,研究員,博士生導(dǎo)師.國(guó)家杰出青年基金獲得者,國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,J.Appl.Phys.副主編.作為第一完成人獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng),國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng),代表性成果“III—V族半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中量子態(tài)光電功能調(diào)控”入選國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展.先后任紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任(2002—2012),中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所長(zhǎng)(2013—2019).現(xiàn)工作于中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要從事光電子材料與器件及其相關(guān)凝聚態(tài)物理研究、光子晶體及其紅外光電技術(shù)中應(yīng)用研究.

Hg1—xCdxTe材料是由負(fù)禁帶的HgTe (半金屬Eg=—0.3 eV)和正禁帶的CdTe (半導(dǎo)體Eg=1.5 eV)混合而成具有直接帶隙的贗二元化合物材料,通過(guò)調(diào)整Cd組分可以使材料禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)覆蓋整個(gè)紅外波段[11-14].HgCdTe紅外探測(cè)器在短波紅外 (1—3 μm)、中波紅外 (3—5 μm)和長(zhǎng)波紅外(8—14 μm)三個(gè)大氣窗口都可以做到接近背景限的水平.HgCdTe材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段,第一代紅外探測(cè)器在19世紀(jì)70年代被研制成功,滿足了單元和小規(guī)模多元探測(cè)器的需求;隨著紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)空間分辨率要求的提高,線列和小規(guī)模二維面陣等第二代紅外探測(cè)器得到了發(fā)展,相應(yīng)的外延工藝也逐漸成熟;第三代HgCdTe紅外探測(cè)器從20世紀(jì)90年代開始,這一階段更加重視大規(guī)模焦平面陣列紅外探測(cè)器的研究,同時(shí)甚長(zhǎng)波、多色探測(cè)、單光子探測(cè)和高工作溫度等也成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向[15].

1970年,美國(guó)IBM實(shí)驗(yàn)室Esaki和Tsu[16]提出了超晶格概念并在GaAs襯底上制備了超晶格,標(biāo)志著半導(dǎo)體材料的發(fā)展開始進(jìn)入人工設(shè)計(jì)的時(shí)代.根據(jù)半導(dǎo)體能帶原理,當(dāng)交替地生長(zhǎng)兩種較好晶格匹配的半導(dǎo)體材料周期性結(jié)構(gòu)時(shí),可以使電子沿生長(zhǎng)方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振蕩形成微帶,通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期或選擇不同材料可以進(jìn)行能帶設(shè)計(jì),即所謂的能帶工程,制備具有不同光學(xué)性質(zhì)的光電器件.近年來(lái),以InAs/GaSb為代表的Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器發(fā)展十分迅速,Ⅱ類超晶格是一種典型的能帶工程材料,在一些重要參數(shù)如R0A、量子效率及噪聲等效溫差方面與第二代HgCdTe紅外探測(cè)器器件性能相當(dāng).值得一提的是,III—IV族材料的外延工藝相對(duì)成熟且均勻性好,使得Ⅱ類超晶格在未來(lái)超規(guī)模紅外焦平面探測(cè)器方面有非常巨大的應(yīng)用前景.近年來(lái),基于能帶工程進(jìn)行紅外探測(cè)波段的調(diào)控是第三代紅外探測(cè)器的重點(diǎn)研究方向之一.

大面陣HgCdTe紅外探測(cè)器和Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器,作為第三代紅外探測(cè)器的典型代表,是目前正在大力發(fā)展并大規(guī)模應(yīng)用的兩個(gè)主流方向,但它們也面臨著諸多問(wèn)題.由于高質(zhì)量的HgCdTe外延襯底CdZnTe面積有限,大面陣HgCdTe材料價(jià)格非常昂貴,制造成本是HgCdTe紅外探測(cè)器向更廣闊市場(chǎng)推進(jìn)的壁壘;可用于大面積Si襯底制備HgCdTe材料的缺陷密度仍然較高、少子壽命仍然較短,這使得其暗電流及噪聲影響它的性能無(wú)法到達(dá)最佳;多層組分異質(zhì)材料制備技術(shù)仍存在困難,導(dǎo)致可應(yīng)用的雙色/多色探測(cè)器、雪崩倍增(APD)探測(cè)器和高溫工作(HOT)探測(cè)器不能大規(guī)模量產(chǎn).Ⅱ類超晶格導(dǎo)致電子和空穴在空間上出現(xiàn)了分離,使超晶格光吸收系數(shù)較低;另外,Sb化物的少子壽命、器件漏電流、高質(zhì)量材料制備和成本等也是制約Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的原因.

圖1 紅外探測(cè)器發(fā)展歷史Fig.1.History of infrared photodetectors.

當(dāng)前,以碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷為代表的傳統(tǒng)紅外光電探測(cè)器已在軍事、遙感、通信、生命科學(xué)和宇宙探索等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.隨著人類對(duì)光電探測(cè)不斷增長(zhǎng)的需求,尤其近幾年來(lái)在人工智能、大數(shù)據(jù)、智慧城市等方面對(duì)紅外信息的探測(cè)和智能感知有著強(qiáng)烈的需求,大幅降低紅外光電探測(cè)器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和價(jià)格(price)以及提高探測(cè)器的性能(performance)(簡(jiǎn)稱SWaP3)迫在眉睫.因此,要滿足上述需求,必須要尋找具有變革性特征的紅外探測(cè)器件.當(dāng)前紅外探測(cè)器正處于新舊更迭的時(shí)代,一大批新型紅外光電探測(cè)器涌出.本文系統(tǒng)地介紹了一些具有變革性特征的紅外探測(cè)器前沿內(nèi)容,主要包括：人工光子微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的新型紅外探測(cè)器、基于能帶工程調(diào)控的紅外探測(cè)器、新型低維材料紅外探測(cè)器,以及傳統(tǒng)紅外探測(cè)器的新方向.最后,展望了紅外光電探測(cè)未來(lái)發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn).

2 人工光子微結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型紅外探測(cè)器

近幾年來(lái),隨著表面鈍化工藝、材料缺陷控制技術(shù)、異質(zhì)外延技術(shù)等不斷成熟,第三代紅外探測(cè)器經(jīng)歷了快速發(fā)展的過(guò)程,器件的暗電流抑制(即非本征暗點(diǎn)流)幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限.如若要進(jìn)一步提高器件性能,就必須抑制與器件體積成正比的本征暗電流.

20世紀(jì)80年代末,國(guó)際上提出了光子晶體概念,人工光子微結(jié)構(gòu)材料開始引起人們的重視.人工光子微結(jié)構(gòu)材料是有序排列的功能材料,由于周期調(diào)制導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)和局域場(chǎng),可以操控光子和光生電子的傳輸特性,帶來(lái)獨(dú)特的光電響應(yīng).典型的人工光子微結(jié)構(gòu)包括：表面等離子激元微結(jié)構(gòu)、金屬-介質(zhì)-金屬 (metal-insulator-metal,MIM)等離子激元微結(jié)構(gòu)、光子晶體限光結(jié)構(gòu).很多科學(xué)機(jī)構(gòu)大膽地預(yù)測(cè)人工微結(jié)構(gòu)在21世紀(jì)將改變?nèi)说纳?2005年,隨著基于亞波長(zhǎng)人工結(jié)構(gòu)的提出,美國(guó)和中國(guó)先后研制出了多種紅外通信波段與二維光子晶體相關(guān)的集成光子器件,實(shí)現(xiàn)了1.55 μm通信波段近紅外光波在硅基微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)上的單向傳播,實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)速度為10 fs的光開關(guān),并采用人工微結(jié)構(gòu)金屬小顆粒大大改善了激光器和太陽(yáng)能電池的性能,為人工微結(jié)構(gòu)在光電器件中的實(shí)際應(yīng)用開辟了嶄新的方向.

在紅外探測(cè)器領(lǐng)域,利用人工光子微結(jié)構(gòu)大幅提高“光”子的耦合效率,可以保持器件光響應(yīng)率(量子效率)的同時(shí)大幅降低器件暗“電”流,從而提高器件探測(cè)率,稱之為 “光”“電”聯(lián)合調(diào)控;同時(shí),人工光子微結(jié)構(gòu)與探測(cè)器焦平面結(jié)構(gòu)是共享的相同面陣,與焦平面是兼容的.每個(gè)單元既是人工微納結(jié)構(gòu)的最小周期單元,也是焦平面的光敏PN單元,從而大大降低了大面紅外探測(cè)器陣列讀出電路的難度.本節(jié)介紹已成功制備的兩種微結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型紅外探測(cè)器的研究進(jìn)展.

2.1 陷光結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器

陷光結(jié)構(gòu)是人工光子微結(jié)構(gòu)的一種,其方法是在器件的正面或者背部進(jìn)行微納加工,形成按一定規(guī)律排列的周期性柱狀結(jié)構(gòu)[17]或者孔狀結(jié)構(gòu)[18]調(diào)控入射的光場(chǎng),以此增加光的傳播路徑從而提高吸收.對(duì)所提出的陷光結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以減少入射光子的反射率,尤其對(duì)于亞波長(zhǎng)陷光結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器其幾何尺寸與探測(cè)波長(zhǎng)接近,會(huì)具有類似光柵的效果將入射光向面內(nèi)方向發(fā)生衍射.由于本征暗電流與材料的體積成正比,通過(guò)減小光敏源的體積暗電流明顯減小,亞波長(zhǎng)陷光結(jié)構(gòu)不但可以有效地減小器件光敏元的體積且能夠維持總量子效率不變,器件的性能得到明顯的提升.特別是陷光結(jié)構(gòu)與焦平面陣列有著很好的兼容,使得陷光結(jié)構(gòu)在紅外焦平面陣列的領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景.目前陷光結(jié)構(gòu)已經(jīng)在HgCdTe紅外探測(cè)器[19]、量子點(diǎn)紅外探測(cè)器[20]和太陽(yáng)能電池[21]等器件上進(jìn)行了研究.

圖2是美國(guó)Raytheon[22]公司在2011年研制的不同柱狀結(jié)構(gòu)和孔狀結(jié)構(gòu)的HgCdTe中波紅外(截止波長(zhǎng)5 μm)探測(cè)器,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用了光子晶體器件的量子效率可實(shí)現(xiàn)在入射光波長(zhǎng)4 μm、填充因子0.5—0.7之間基本維持不變.

2013年,Pinkie等[23]設(shè)計(jì)了一種被入射陷光結(jié)構(gòu)HgCdTe中波紅外探測(cè)器.這種設(shè)計(jì)的核心思想是對(duì)HgCdTe的CdZnTe襯底進(jìn)行機(jī)械剝離,然后直接對(duì)HgCdTe的吸收層刻蝕形成表面微結(jié)構(gòu).他們采用有限差分方法(finite-difference timedomain,FDTD)方法聯(lián)合有限元方法(finite element method)利用半導(dǎo)體器件模擬軟件(TCAD)數(shù)值模擬了這種陷光結(jié)構(gòu)HgCdTe紅外探測(cè)器在0.5—5 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)特性和電學(xué)特性.

圖2 美國(guó)Raytheon公司制備的不同陷光結(jié)構(gòu)的中波HgCdTe紅外探測(cè)[22]Fig.2.Raytheon company investigates the use of photon trapping structures with varying fill factor in HgCdTe detectors for use in mid-wavelength infrared (MWIR)detectors[22].

圖3 HgCdTe陷光結(jié)構(gòu)[23] (a)像元間距為8 μm的HgCdTe紅外探測(cè)器陣列的單個(gè)像元示意圖;(b)3×3陣列像元陣列三維示意圖Fig.3.Photo-trapping (PT)structure[23]：(a)Schematic representing a single pixel of an array with 8 μm pixels;(b)three dimensional view of 3×3 pixel array.

圖3為所設(shè)計(jì)的陷光結(jié)構(gòu)HgCdTe紅外探測(cè)器示意圖,圓柱的高度為5 μm,底部直徑2 μm,頂部直徑0.5 μm,單個(gè)像元的間距分為寬8 μm和6 μm兩種,如圖3(a)中窄帶隙Hg0.715Cd0.285Te層的摻雜濃度為n型輕摻ND=1.0×1015cm—3,寬帶隙Hg0.600Cd0.400Te層的摻雜濃度為P型輕摻NA=1.0×1017cm—3.傳統(tǒng)非陷光結(jié)構(gòu)的HgCdTe紅外探測(cè)器其材料的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不匹配,導(dǎo)致器件有30%左右的反射損耗,如圖4(a)所示,通過(guò)合理設(shè)計(jì)柱狀結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)使得器件在入射波長(zhǎng)為1—4.5 μm范圍內(nèi)反射率遠(yuǎn)小于1%;并且如圖4(b)所示,有陷光結(jié)構(gòu)HgCdTe紅外探測(cè)器的量子效率在波長(zhǎng)1—5 μm基本維持在90%左右,遠(yuǎn)大于非陷光結(jié)構(gòu)HgCdTe紅外探測(cè)器.

2017年,Gao等[24]證明了微米級(jí)和納米級(jí)小孔能夠在Si光電二極管實(shí)現(xiàn)光捕獲.Si光電探測(cè)器目前最主要用于可見(jiàn)光探測(cè)領(lǐng)域,對(duì)于600 nm或者更短的波長(zhǎng),Si的吸收系數(shù)α高達(dá)4000 cm—1甚至更高,但是在840—860 nm的通信波段,α在840 nm為 591 cm—1,在 860 nm降低為 480 cm—1,需要增加Si光電二極管吸收層厚度來(lái)提高外量子效率,然而吸收層厚度增加導(dǎo)致光生載流子的渡越時(shí)間增加.圖5所示為器件示意圖,在吸收層上刻蝕周期性的孔陣列,使得Si探測(cè)器在800—860 nm的外量子效率大于50%.P-SiGeB厚度為0.2 μm作為底層P型接觸層.

圖6為FDTD模擬850 nm垂直光照相下,漏斗形方型陣列(周期2000 nm、孔直徑1500 nm、開口角60°)和圓柱形小孔(周期2000 nm、孔直徑1500 nm)的橫向電場(chǎng)分布的結(jié)果,其中XY方向設(shè)置為周期性邊界條件,右側(cè)的圖描述了從t=0—21 fs的初始瞬態(tài)時(shí)間演變.該結(jié)果表面在小孔的周圍產(chǎn)生了橫向的波,并且在XY方向形成了橫向的振蕩模式.通過(guò)比較柱狀小孔和漏斗型小塊在橫向方向的電場(chǎng)模式,漏斗型小孔陣列在XY方向的模式強(qiáng)度更強(qiáng),更適合做陷光結(jié)構(gòu).

為獲取量子效率與探測(cè)率之間的平衡,傳統(tǒng)器件器件厚度往往是受限的,入射光反射也會(huì)導(dǎo)致能量損失.陷光結(jié)構(gòu)耦合傳統(tǒng)紅外探測(cè)器能夠減小反射、提高傳統(tǒng)探測(cè)器外量子效率,并且在提高焦平面器件的集成度方面有比較大的優(yōu)勢(shì),通過(guò)進(jìn)一步控制陷光結(jié)構(gòu)成本和成品率,將會(huì)得到更多的應(yīng)用和發(fā)展.

圖4 單個(gè)像元間距為6 μm的陷光結(jié)構(gòu)與非陷光結(jié)構(gòu)陣列數(shù)值模擬的(a)反射譜和(b)量子效率[23]Fig.4.Calculated (a)reflectance spectra and (b)quantum efficiency for a single 6 μm pixel of the PT and non-PT arrays[23].

圖5 (a)Si光電二極管的示意圖;(b)Si晶元襯底上的n-i-p光電二極管,錐形小孔貫穿n,i,p層[24]Fig.5.(a)Schematic of the Si photodiode;(b)the n-i-p photodiode structure on an silicon-on-insulator (SOI)wafer,the integrated tapered holes that span the n,i and p layers[24].

2.2 等離激元增強(qiáng)型紅外探測(cè)器

等離激元學(xué)(plasmonics)是微納光子學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一[25].借由固體中關(guān)聯(lián)電子的集體運(yùn)動(dòng),等離激元可以將電磁場(chǎng)能量局域于遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi),從而達(dá)到近場(chǎng)增強(qiáng)的效果.由于金屬-電介質(zhì)界面上物質(zhì)場(chǎng)與電磁場(chǎng)的強(qiáng)烈相互作用,在界面附近存在著豐富的光子態(tài)密度,這使得等離激元既可以極大地增強(qiáng)光發(fā)射的效率,又可以增強(qiáng)光探測(cè)效率.依照物理圖像的不同,等離激元通常分為表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPP)和局域等離激元(localized surface plasmons,LSP)兩種激發(fā)形式[26].從應(yīng)用的角度來(lái)看,SPP與LSP通常是相互關(guān)聯(lián)的,并可以直接進(jìn)行耦合[27].

基于嚴(yán)格數(shù)學(xué)形式的表面等離激元的物理理論的建立開始于Sommerfeld[28]的開創(chuàng)性工作,他討論了無(wú)線電波在有限電導(dǎo)率的金屬表面?zhèn)鞑サ膯?wèn)題.在光波段最早的SPP研究開始于1902年Wood[29]對(duì)金屬光柵的異常吸收問(wèn)題.Kretschmann和Raether[30]在實(shí)驗(yàn)上首次通過(guò)棱鏡,將可見(jiàn)光耦合到金屬表面形成SPP.至此,表面等離激元的理論框架基本建立完全.

表面等離激元是在金屬與電介質(zhì)的表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?由于其空間頻率大于在任何一個(gè)介質(zhì)中傳播的空間頻率,其在遠(yuǎn)離界面的方向傳播總是指數(shù)衰減的,即形成的是倏逝波(evanescent wave).假設(shè)介質(zhì)與金屬分別是各向同性均勻材料,可以將等離激元波表示為以下TM波形式：

圖6 FDTD數(shù)值模擬在垂直光照射時(shí)小孔周圍橫向電場(chǎng)的模式(頂部是XY截面,底部為YZ截面;時(shí)間從左到右增加,T=1.4,6.2,11,16,21 fs)[24] (a)圓柱形小孔;(b)漏斗形小孔Fig.6.FDTD numerical simulations show the formation of lateral electric field modes around holes when illuminated by a normal incident beam of light[24]：(a)Cylindrical holes;(b)funnel-shaped holes.Top,X-Yplane;bottom,Y-Zplane.Time increased from left to right：T=1.4,6.2,11,16,21 fs.

代入麥克斯韋方程可知,等離激元波不存在TE波形式的解.考慮到邊值關(guān)系與無(wú)源方程的齊次性,除一個(gè)總的復(fù)振幅以外,其他所有系數(shù)是可以直接確定的.在金屬與電介質(zhì)表面的等離激元波見(jiàn)圖7.

表面等離激元的激發(fā)需要波矢匹配,在光電探測(cè)領(lǐng)域通常使用人工結(jié)構(gòu)進(jìn)行波矢匹配,棱鏡耦合與帶電粒子轟擊等方式較為少見(jiàn).最常見(jiàn)的人工結(jié)構(gòu)是金屬光柵,如Bouchon等[31]通過(guò)GaAs蝕刻出高的高寬比的結(jié)構(gòu)后,再電鍍一層金,得到了在10 μm附近具有接近100%的吸收的高的高寬比金屬光柵,如圖8所示,金的狹縫寬度約為150 nm.

除線型金屬光柵,可以通過(guò)設(shè)計(jì)其他結(jié)構(gòu)在滿足波矢匹配的情況下實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的增強(qiáng)和其他功能.Chang等[32]在量子點(diǎn)紅外探測(cè)器上覆蓋金屬孔洞陣列,實(shí)現(xiàn)了在8.8 μm處130%的增強(qiáng).牛眼結(jié)構(gòu)由Thio等于2001提出[33],之后在光電探測(cè)領(lǐng)域也得到了較多的應(yīng)用[34].牛眼結(jié)構(gòu)可以將光場(chǎng)聚焦到牛眼中心的小區(qū)域,在中心布置一小像元后,可以降低暗電流、避免串?dāng)_.Echtermeyer等[35]將石墨烯光電探測(cè)器置于金屬光柵之上,發(fā)現(xiàn)探測(cè)器響應(yīng)率提升了400%.如果將不同周期的金屬光柵的方向進(jìn)行細(xì)致的排布,可以同時(shí)探測(cè)不同的波長(zhǎng)和偏振.Laux等[36]通過(guò)設(shè)計(jì)圖9(f)所示的結(jié)構(gòu),得到了可以分辨三個(gè)波長(zhǎng)并具有偏振探測(cè)能力的表面等離激元結(jié)構(gòu).

圖7 表面等離激元波示意圖(金屬表面的電子對(duì)入射光的響應(yīng)產(chǎn)生了表面幾十納米內(nèi)的電子密度的輕微擾動(dòng),構(gòu)成了金屬中表面電子的集體激發(fā)模式)Fig.7.Representation of surface plasmon polaritons：Under the excition of injection light,the density of electrons in the surface of metal experience a little change,which correspond to the collective excition modes of surface electrons.

圖8 (a)金屬光柵制備過(guò)程;(b)GaAs的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)照片;(c)坡印亭矢量的流線圖,可見(jiàn)在共振波長(zhǎng)10.05 μm處,光場(chǎng)被幾乎全被限制到了狹縫中[31]Fig.8.(a)Fabrication steps of the metal grating;(b)SEM photograph of GaAs;(c)streamline diagram of Poynting vector.At the resonance wavelength of 10.05 μm,the light field is almost completely confined into the slit[31].

圖9 (a)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器上覆蓋金屬孔洞陣列SPP結(jié)構(gòu)的器件示意圖[32];(b)金屬孔洞陣列SPP結(jié)構(gòu)的SEM照片[32];(c)牛眼探測(cè)器的SEM照片[33];(d)劈裂牛眼結(jié)構(gòu)[34];(e)石墨烯表面等離激元器件結(jié)構(gòu)示意圖[35];(f)偏振多波長(zhǎng)SPP結(jié)構(gòu)[36]Fig.9.(a)Schematic diagram of the SPP structure with the metal hole array on the quantum dot infrared detector[32];(b)SEM photograph of the metal hole array SPP structure[32];(c)SEM photograph of the bull's eye detector[33];(d)the bull's eye structure with slit[34];copyright 2011 American Chemical Society (e)schematic diagram of graphene-surface plasmon photodetector[35];(f)polarization dependent multi-wavelength SPP structure[36].

局域等離激元的使用可以追溯到羅馬時(shí)期.當(dāng)時(shí)羅馬人使用可以產(chǎn)生LSP的金屬納米顆粒來(lái)對(duì)玻璃器皿進(jìn)行著色.而在物理上對(duì)LSP的正確認(rèn)識(shí)源于20世紀(jì)初[37].從直觀的物理圖像的角度來(lái)看,LSP是金屬納米顆粒中的自由電子與電磁場(chǎng)耦合后產(chǎn)生的非傳導(dǎo)態(tài)的等離激元激發(fā)模式.在直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)假設(shè)(準(zhǔn)靜態(tài)近似,quasi-static approximation)下,金屬顆粒的散射問(wèn)題的解自然地包含LSP的模式[38].這是由于金屬顆粒的曲面邊界給電子一個(gè)回復(fù)力,使得電子在外場(chǎng)和回復(fù)力的共同作用下,產(chǎn)生等離激元共振.

如果所考慮的結(jié)構(gòu)單元較大,則不能滿足準(zhǔn)靜態(tài)近似.此時(shí)電磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)單元的尺度上的相位有明顯的變化,需要直接通過(guò)求解麥克斯韋方程來(lái)得到正確的解.數(shù)值求解這類問(wèn)題通常使用時(shí)域有限差分方法或有限元方法來(lái)進(jìn)行.當(dāng)結(jié)構(gòu)單元為球形時(shí),Mie[37]在不借助準(zhǔn)靜態(tài)近似的情況下,給出了電磁場(chǎng)在球形金屬顆粒作用下的散射和吸收的普適理論,現(xiàn)在通常被稱為Mie理論.

局域等離激元增強(qiáng)有很多途徑,其中最常見(jiàn)的方式是通過(guò)特別設(shè)計(jì)的納米天線產(chǎn)生局域等離激元共振(localized plasmon resonance)實(shí)現(xiàn)[39].如果通過(guò)周期調(diào)節(jié)表面等離激元的共振峰,同結(jié)構(gòu)單元的特征長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的局域等離激元的共振峰相重合,可以得到更高的光場(chǎng)局域效果,如圖10(f)—(h)所示,Miao等[40]制備的金陣列增強(qiáng)光吸收的MoS2光電探測(cè)器.除人工微結(jié)構(gòu)的方法產(chǎn)生LSP以外,由于LSP本身只依賴于單個(gè)結(jié)構(gòu)單元,可以采用化學(xué)制備的方式得到,如TiS2納米片[41]與硅量子點(diǎn)[42],如圖10(a)—(e)所示.

近年來(lái),等離激元在光電探測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了另一類獨(dú)具特色的應(yīng)用.金屬結(jié)構(gòu)微元與半導(dǎo)體相接觸,并形成肖特基勢(shì)壘.當(dāng)結(jié)構(gòu)微元受到外場(chǎng)的激發(fā)時(shí),產(chǎn)生等離激元電子-空穴對(duì).而由于光子能量較高,電子可以越過(guò)肖特基勢(shì)壘,注入到半導(dǎo)體中.注入到半導(dǎo)體中的電子具有較高能量,稱為等離激元熱電子.等離激元熱電子在光電探測(cè)領(lǐng)域有很多優(yōu)勢(shì),這類過(guò)程可以用于探測(cè)能量小于材料帶隙的光子.由于電子的注入過(guò)程只依靠光子能量,基于等離激元熱電子注入的光電探測(cè)器可以在零偏下工作,極大地降低了暗電流.

圖10 (a)TiS2納米片的吸收譜;(b)LSP與SPP共同增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器;(c),(d)納米片的LSP共振與非共振模式下的電場(chǎng)分布圖[41];(e)硅量子點(diǎn)輔助的超寬譜石墨烯探測(cè)器[42];(f)—(h)金陣列增強(qiáng)型MoS2光電二極管[40]Fig.10.(a)Absorption spectra of TiS2nanosheets;(b)quantum well infrared detectors enhanced by LSP and SPP together;(c),(d)electric field distribution of nanosheets of LSP resonance and non-resonant mode[41];(e)ultra-wide spectrum graphene detector auxiliary by silicon quantum dots[42];(f)-(h)Au arrays enhanced MoS2phototransistors[40].

Knight等[43]首次將金納米顆粒同n摻雜的硅接觸,得到了基于LSP的等離激元熱電子注入型的光電探測(cè)器,其探測(cè)波長(zhǎng)約在1600 nm以內(nèi),結(jié)果發(fā)表在Science上.從上述討論可知,等離激元熱電子不僅適用于LSP,如果SPP結(jié)構(gòu)做成如圖11所示的能帶結(jié)構(gòu),那么也應(yīng)該有等離激元熱電子注入現(xiàn)象.2014年,Chalabi等[44]在兩層金屬之間用Al2O3作為勢(shì)壘層,得到了基于SPP的等離激元熱電子注入型光電探測(cè)器,如圖12(c)所示.

Fang等[45]使用六角形的復(fù)合金結(jié)構(gòu)單元為等離激元激發(fā)單元,將其疊加在兩層石墨烯之間,得到了石墨烯-等離激元-石墨烯的三明治結(jié)構(gòu).據(jù)其文章陳述,相比較于無(wú)等離激元結(jié)構(gòu)的石墨烯結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)得到了800%的等離激元增強(qiáng).等離激元熱電子應(yīng)用十分廣泛,Brongersma等[46]以及Christopher和Moskovits[47]進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的介紹.

等離激元增強(qiáng)型紅外探測(cè)器在偏振探測(cè)、提高響應(yīng)率、降低暗電流、高效室溫長(zhǎng)波探測(cè)等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).不可否認(rèn)的是,目前這種紅外探測(cè)器僅僅是理論上能夠提高性能,受限于當(dāng)前半導(dǎo)體制備工藝技術(shù)的限制,它們距大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用仍有很遠(yuǎn)的距離.可能隨著深度學(xué)習(xí)在微納光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和光刻技術(shù)的進(jìn)步,等離激元熱電子注入、低維材料紅外探測(cè)器、超表面和拓?fù)涔庾訉W(xué)等技術(shù)的發(fā)展,等離激元增強(qiáng)型紅外探測(cè)器會(huì)有較大的應(yīng)用前景.

圖11 等離激元熱電子能帶圖(肖特基勢(shì)壘為φB;電子-空穴對(duì)受激光激發(fā);滿足動(dòng)量守恒要求對(duì)應(yīng)的過(guò)程為聲子輔助或雜質(zhì)輔助的)[43]Fig.11.The band diagram of plasmon hot electrons.Schottky barrier isφB.The illuminating light photoexcited electrons in metal,generating electron-hole pairs.Taking conservation of momentum in to consideration,this process may be aided by phonons or impurities[43].

3 基于能帶工程的紅外探測(cè)器

超晶格概念的提出,使具有周期性勢(shì)場(chǎng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備紅外探測(cè)器成為可能.1985年,量子阱中紅外偶極躍遷被發(fā)現(xiàn),證實(shí)了利用量子阱可以實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)[48];1987年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Levine等[49]制造了GaAs/AlAs量子阱紅外探測(cè)器;同年,利用Ⅱ類超晶格實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)的設(shè)想被提出并在之后得到了快速的發(fā)展[50].近些年來(lái),基于能帶工程的新型量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器和帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的提出,極大地豐富了紅外探測(cè)器的應(yīng)用.

3.1 量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器

量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(quantum cascade detectors,QCDs)是由瑞士Hofstetter研究組在2002年基于量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)現(xiàn)其探測(cè)能力,它是量子阱紅外探測(cè)器的一種改良[51].量子級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器一般分為吸收區(qū)和輸運(yùn)區(qū),其能帶結(jié)構(gòu)如圖13所示,吸收區(qū)基于子帶間躍遷進(jìn)行紅外吸收,這與量子阱紅外探測(cè)器類似;輸運(yùn)區(qū)能級(jí)成階梯狀,光激發(fā)載流子所在子帶與相臨量子阱子帶之間能量差恰好等于光學(xué)聲子能量時(shí),會(huì)產(chǎn)生共振,此時(shí)光生載流子利用聲子輔助隧穿就實(shí)現(xiàn)輸運(yùn).

量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器是光伏型紅外探測(cè)器,相比于量子阱紅外探測(cè)器,它工作時(shí)不需要加偏置電壓,這樣它的暗電流會(huì)非常小;它的噪聲將會(huì)更主要地受熱噪聲限制,這就使得它能夠在高溫下工作[52-54];它的吸收區(qū)是基于電子從量子阱的基態(tài)到束縛態(tài)的子帶間躍遷,這樣使它的響應(yīng)光譜較窄,可以用作高質(zhì)量單色探測(cè)器;它的電子輸運(yùn)過(guò)程非常迅速,使得它的本征響應(yīng)時(shí)間較短,可用來(lái)制備高頻光電探測(cè)器[55];另外,它的多周期結(jié)構(gòu)可以用來(lái)設(shè)計(jì)不同響應(yīng)波長(zhǎng)的吸收區(qū),這樣它在多色探測(cè)方面會(huì)有非常大的優(yōu)勢(shì)[56,57].近年來(lái),中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和華東師范大學(xué)等單位在量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的研究上取得了較好的進(jìn)展.

圖12 (a)基于LSP的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖;(b)基于LSP的光電探測(cè)器SEM照片[43];(c)基于SPP的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖;(d)基于SPP熱電子的光電探測(cè)器SEM照片;(e)SPP等離激元熱電子器件的光電流Mapping圖[44]Fig.12.(a)Schematic diagram of LSP-based photodetector;(b)SEM photo of photodetector based on LSP[43];(c)schematic diagram of photodetector based on SPP;(d)SEM photograph of photodetector based on SPP thermoelectron;(e)photocurrent mapping of SPP plasmon thermal electronic devices[44].

圖13 量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13.Band diagram of quantum cascade detectors.

在提高量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器的性能方面,Li等[56]設(shè)計(jì)了基于等離激元微腔耦合探測(cè)器的集成方法,結(jié)構(gòu)如圖14所示,使器件的峰值響應(yīng)率、黑體響應(yīng)率達(dá)到了數(shù)倍的提升,降低了器件噪聲等效溫差并且微腔結(jié)構(gòu)使器件具備了偏振選擇性,而且此方法能夠應(yīng)用在中/長(zhǎng)波雙色量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)雙色光耦合機(jī)制.

在提高量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器應(yīng)用前景方面,Li等[59]設(shè)計(jì)了一系列寬帶響應(yīng)量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器.常規(guī)量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器運(yùn)行機(jī)制是基于載流子從束縛態(tài)到另一束縛態(tài)的躍遷過(guò)程,所以得到的探測(cè)器響應(yīng)線寬較窄,為了滿足寬帶響應(yīng)探測(cè)器需求,他們分別設(shè)計(jì)了雙阱吸收、微帶吸收和低勢(shì)壘寬帶響應(yīng)量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器.雙阱吸收量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器是設(shè)計(jì)了兩個(gè)尺寸、摻雜相同且空間距離較近能夠相互耦合實(shí)現(xiàn)能級(jí)的劈裂,如圖15(a)所示,這樣就可以實(shí)現(xiàn)兩組能量相近但不相等的子帶間躍遷,通過(guò)調(diào)節(jié)耦合勢(shì)壘寬度即可調(diào)節(jié)光譜寬度實(shí)現(xiàn)寬帶響應(yīng).微帶吸收量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器是設(shè)計(jì)了多個(gè)尺寸和摻雜相同的量子阱結(jié)構(gòu),如圖15(b)所示,這樣就形成了類似超晶格的吸收層,載流子可以從基態(tài)微帶躍遷至激發(fā)態(tài)微帶,使光譜響應(yīng)得到展寬.低勢(shì)壘寬帶響應(yīng)量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器是將量子阱的勢(shì)壘高度降低,如圖15(c)所示,這樣載流子可以從基態(tài)躍遷至束縛態(tài)、準(zhǔn)束縛態(tài)及連續(xù)態(tài),通過(guò)合理地利用多組躍遷就能拓展探測(cè)器的光譜寬度.

在提高量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器環(huán)境適應(yīng)能力方面,日本Dougakiuchi等[60]設(shè)計(jì)了量子阱耦合In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器,其能帶結(jié)構(gòu)如圖16(a)所示.這種探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了室溫對(duì)中波紅外(5.4 μm)探測(cè),如圖16(b)所示,其響應(yīng)率在室溫仍能達(dá)到130 mA/W,探測(cè)率可以達(dá)到1.1×108cm·W—1·Hz1/2.

圖14 表面等離激元微腔結(jié)構(gòu)耦合量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖[56,58]Fig.14.Diagram of plasmonic micro-cavity coupled QCDs[56,58].

圖15 寬光譜量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器設(shè)計(jì) (a)雙阱吸收;(b)微帶吸收;(c)低勢(shì)壘Fig.15.Designs of broadband spectrum QCDs：(a)Double quantum wells absorption;(b)mini-band absorption;(c)low barrier design.

圖16 量子阱耦合型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器[60] (a)能帶結(jié)構(gòu);(b)響應(yīng)率;(c)探測(cè)率Fig.16.Quantum well coupled In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As QCDs[60]：(a)Band diagram;(b)responsivity;(c)detectivity.

量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器作為新型紅外探測(cè)器展現(xiàn)出非常優(yōu)良的性能,尤其在多色探測(cè)、高溫、高頻工作及甚長(zhǎng)波探測(cè)方面有非常重要的應(yīng)用前景,但其量子效率較低的缺點(diǎn)是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題.

3.2 帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器

帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器(interband cascade detectors,ICDs)是在2005年由美國(guó)Li等[61]提出的.帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器類似,分為吸收區(qū)和弛豫區(qū),如圖17所示.其吸收區(qū)為Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu),弛豫區(qū)通常為多量子阱結(jié)構(gòu),載流子在吸收區(qū)通過(guò)紅外輻射的激發(fā),然后進(jìn)入弛豫區(qū)借助聲子輔助隧穿作用實(shí)現(xiàn)載流子的輸運(yùn)[62].

圖17 帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17.Band diagram of interband cascade detectors.

帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器也是光伏型紅外探測(cè)器,相比其他傳統(tǒng)紅外探測(cè)器在高溫工作時(shí)更有優(yōu)勢(shì).2005年,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校制備的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器就能夠?qū)崿F(xiàn)300 K的工作溫度下對(duì)中波紅外有21 mA/W的響應(yīng)率(4.0 μm)和7.1×108cm·W—1·Hz1/2的探測(cè)率 (4.4 μm)[61].2010年,美國(guó)奧克拉荷馬大學(xué)Yang等[63]通過(guò)優(yōu)化弛豫區(qū)設(shè)計(jì),其能帶結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖18(a),最終實(shí)現(xiàn)了在室溫320 K下對(duì)5.0 μm中波紅外有200 mA/W的響應(yīng)率,且量子效率達(dá)到了約26%.其在不同溫度下探測(cè)率如圖18(b)所示,可以看到隨著溫度的升高,其探測(cè)截止波長(zhǎng)也逐漸增大,在320 K時(shí)其截止波長(zhǎng)達(dá)到了7 μm以上.2016年,中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Zhou等[64]設(shè)計(jì)了少周期帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器,顯著提高了探測(cè)器的量子效率.

圖18 (a)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器弛豫區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì);(b)探測(cè)率隨溫度的變化[63]Fig.18.(a)Optimization design of relaxation region in ICDs;(b)temperature dependent of the detectivity [63].

圖19 響應(yīng)率隨溫度的變化 (a)單周期結(jié)構(gòu);(b)雙周器結(jié)構(gòu)[64]Fig.19.Responsivity varies with temperature for one stage structure (a)and two stage structure (b)interband cascade detectors [64].

Zhou等[64]利用分子束外延方法,在InAs襯底上分別制備了單周期和雙周器量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器,器件的吸收區(qū)為8層InAs和7層GaAsSb超晶格結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的探測(cè)波長(zhǎng)為3.9 μm (80 K)和4.8 μm(300 K).經(jīng)過(guò)精確地控制材料生長(zhǎng)和進(jìn)行常規(guī)流片工藝,最終制備了 200 μm×200 μm 臺(tái)面器件.測(cè)試結(jié)果如圖19所示,可以看到單周期和雙周期器件在300 K時(shí)峰值響應(yīng)率分別達(dá)到了800 mA/W和600 mA/W,并且器件在常溫也有較高的量子效率.這是國(guó)際上首次報(bào)道的InAs基帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器,表明了InAs襯底可以實(shí)現(xiàn)高性能帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的制備.

圖20 常溫工作時(shí)典型探測(cè)器峰值探測(cè)率對(duì)比Fig.20.Comparison of peak detectivity among typical photodetector at room temperature.

帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器作為一種基于能帶工程的器件,在高溫工作方面展現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢(shì),雖然常溫器件距離背景限探測(cè)率仍有很大的空間需要提升,如圖20所示,但也彌補(bǔ)了HgCdTe,InSb等傳統(tǒng)中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器高溫工作性能較差的不足,是具有廣闊應(yīng)用前景的紅外探測(cè)器之一.

4 新型低維材料紅外探測(cè)器

相比傳統(tǒng)體材料,低維半導(dǎo)體材料在某一個(gè)維度上具有亞微米、納米甚至原子級(jí)幾何尺寸,其巨大的比表面積以及優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換特性使其在紅外探測(cè)領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì).受益于其尺寸效應(yīng),低維半導(dǎo)體材料更容易被外場(chǎng)調(diào)控,通過(guò)局域電場(chǎng)能夠完全耗盡載流子,降低暗電流;此外,低維材料超高的內(nèi)凜光電增益(103—106)是其實(shí)現(xiàn)高探測(cè)率紅外探測(cè)的保障.近年來(lái),新型低維材料在材料生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、器件制備與表征等進(jìn)展迅速,本節(jié)分別介紹新型低維材料在局域場(chǎng)調(diào)控和范德瓦耳斯結(jié)的紅外探測(cè)器研究進(jìn)展.

4.1 光誘導(dǎo)局域場(chǎng)調(diào)控型(photogating)紅外探測(cè)器

Photogating(光誘導(dǎo)柵控效應(yīng))[65]在低維光電探測(cè)體系中顯得尤為重要.對(duì)于低維材料而言,光吸收是個(gè)難以克服的問(wèn)題.以二維材料為例,薄至幾個(gè)原子層厚度的材料僅能吸收很少一部分入射光,大部分的光子被浪費(fèi),嚴(yán)重影響了探測(cè)器的量子效率,也使得器件的響應(yīng)率和靈敏度下降.Photogating的存在使得低維材料即使光吸收依然不足,也能通過(guò)增益實(shí)現(xiàn)可觀的甚至超高的響應(yīng)率.

Photogating可以簡(jiǎn)單理解為光生電勢(shì)調(diào)控.與傳統(tǒng)的光導(dǎo)型或者光伏型探測(cè)器通過(guò)光輻照直接提升載流子濃度從而增加光電導(dǎo)的方式不同,photogating利用的是光輻照產(chǎn)生的電勢(shì)去間接調(diào)控光晶體管溝道材料的電導(dǎo),凈光電流可以表達(dá)為 ΔI=gm·ΔVg,其中g(shù)m=?Id/?Vg是晶體管的跨導(dǎo),ΔVg是等效光生電壓.

有兩種途徑可以導(dǎo)致明顯的photogating效應(yīng).其中最常見(jiàn)的是在復(fù)合型的低維體系中,比如堆垛的二維材料、一維量子點(diǎn)和二維材料復(fù)合結(jié)構(gòu)等[66-70].由于異質(zhì)界面的存在,光生電子空穴可以被分離至不同的材料中,使得某一種過(guò)剩載流子的壽命變長(zhǎng)并且對(duì)溝道產(chǎn)生電勢(shì)調(diào)控.類似地,如果單種材料或者襯底具有豐富的缺陷,并且缺陷可以俘獲某種光生載流子,也能導(dǎo)致類光生電勢(shì)調(diào)控溝道電導(dǎo)的現(xiàn)象[71-73].該種因?yàn)檫^(guò)剩少子壽命變長(zhǎng)而導(dǎo)致高增益的photogating效應(yīng)也可以理解為一種光電導(dǎo)效應(yīng)的特殊情況,凈光電流可表示為ΔI=G·N0·e,其中N0為單位時(shí)間內(nèi)器件吸收的光子數(shù);e為元電荷;G為增益,可以表示為光生少子壽命和載流子渡越時(shí)間之比,即G=τlife/τtran.由于較長(zhǎng)的光生載流子壽命,光電晶體管(phototransistors)的響應(yīng)速度比較慢.

2012年,Konstantatos等[74]驗(yàn)證了一種基于石墨烯和量子點(diǎn)復(fù)合的高增益結(jié)構(gòu).機(jī)械剝離的單層或雙層石墨烯沉積在Si/SiO2襯底上被制備成場(chǎng)效應(yīng)晶體管,石墨烯表面旋涂了一層PbS量子點(diǎn).該結(jié)構(gòu)中,量子點(diǎn)作為光敏層,而石墨烯因?yàn)樽陨淼母哌w移率成為載流子快速輸運(yùn)通道.在光激發(fā)的作用下,量子點(diǎn)中產(chǎn)生自由電子空穴對(duì),其中空穴遷移至石墨烯,而光生電子停留在量子點(diǎn)層形成對(duì)石墨烯溝道的電勢(shì)調(diào)控(或摻雜),如圖21(a)所示.在1 V的偏壓下,載流子渡越時(shí)間τtran約為1 ns,而τlife在10 ms—1 s的量級(jí),所以器件光增益高達(dá) 107—109,比探測(cè)率～1013cm·Hz1/2·W—1.2017年,同樣是該單位的研究團(tuán)隊(duì),將大面積化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的石墨烯、旋涂的PbS量子點(diǎn)和CMOS讀出電路相集成,制備了一個(gè)寬譜(300—2000 nm)的388×288焦平面,并實(shí)現(xiàn)了短波近紅外(1100—1850 nm)成像,見(jiàn)圖21(b)[75].該成果充分驗(yàn)證了photogating效應(yīng)在低維材料復(fù)合探測(cè)體系中的實(shí)用性.此外,材料本身缺陷誘導(dǎo)的photogating也可能很大程度地提升器件的探測(cè)性能.2014年,Guo等[76]發(fā)現(xiàn)了單根InAs納米線光晶體管中由photogating引起的負(fù)光電導(dǎo)現(xiàn)象.光生電子被局域的表面態(tài)俘獲并產(chǎn)生電場(chǎng)抑制溝道電導(dǎo),使得器件在可見(jiàn)-近紅外波段的光增益高達(dá)—105.進(jìn)一步,該研究組利用了表面態(tài)俘獲光生電子在低溫下難以釋放的機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了快速(～ 60 μs)寬譜紅外(830—3113 nm)響應(yīng)[77].2016年,Guo等[73]報(bào)道了一個(gè)基于黑磷的高增益室溫中紅外探測(cè)器,結(jié)構(gòu)如圖21(c)所示.由于黑磷中淺雜質(zhì)能級(jí)缺陷的存在,光生載流子壽命變長(zhǎng),器件獲得了高增益,室溫3.39 μm的光響應(yīng)率高達(dá)82 A/W.

圖21 (a)石墨烯/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)增益原理圖[74];(b)CMOS集成的石墨烯/量子點(diǎn)焦平面結(jié)構(gòu)示意圖[75];(c)室溫中紅外高增益黑磷探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖[73];(d)室溫高增益高響應(yīng)InAs納米線[76];(e)室溫高性能中紅外InAs納米線[77]Fig.21.(a)Energy band diagram for interpretation of optical gain in graphene/quantum dots heterostructure[74];(b)schematic diagram of CMOS integrated graphene/quantum dots focal array plane[75];(c)schematic diagram of mid-infrared pure black phosphorous photodetector[73];(d)high gain and high responsivity InAs nanowire[76];(e)high performance mid-wavelength InAs nanowire[77].

上述photogating增強(qiáng)的器件存在帶寬受限的問(wèn)題,即高光增益來(lái)源于長(zhǎng)載流子壽命,器件響應(yīng)速度慢.2017年,Adinolfi和Sargent[78]提出了“光伏場(chǎng)效應(yīng)晶體管”的概念.器件的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,如圖22(a)所示,溝道為輕p摻的Si,PbS量子點(diǎn)作為近紅外光敏介質(zhì)沉積在溝道上.受紅外光輻照時(shí),量子點(diǎn)產(chǎn)生大量空穴,減弱了量子點(diǎn)和p-Si的內(nèi)建場(chǎng)強(qiáng)度,使得耗盡區(qū)變窄,溝道電導(dǎo)大幅上升.由于器件的增益G=(gm·ΔVg/q)/N0,帶寬f=gm/CTOT,所以增益和帶寬同時(shí)正比于晶體管的跨導(dǎo),意味著高增益反而可以帶來(lái)更高的帶寬.該器件的實(shí)驗(yàn)增益帶寬積達(dá)109Hz,而理論極限是1013Hz (圖22(b)).該成果證明,光生電勢(shì)間接調(diào)控溝道電導(dǎo)的方法,即photovoltaics-gating,可能應(yīng)用于新型超高性能紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)中.除了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,普通的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管也可能實(shí)現(xiàn)類似性能.2016年,Guo等[79]利用入射光在輕p摻硅襯底和氧化層界面產(chǎn)生的電勢(shì)調(diào)控了單層石墨烯溝道,器件對(duì)520 nm入射光的響應(yīng)率約為1000 A/W,響應(yīng)速度約為400 ns,增益帶寬積約達(dá)109Hz.2018年,日本的一個(gè)研究組用傳統(tǒng)紅外薄膜材料InSb代替Si (圖22(c)),實(shí)現(xiàn)了50 K溫度下中紅外4.6 μm響應(yīng)率為33.8 A/W,此外器件最高工作溫度達(dá)150 K (圖22(d))[80].

器件的帶寬不受限于光增益的光誘導(dǎo)柵控效應(yīng),我們稱之為廣義photogating[65].Photogating為變革性低維紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備提供了良好的思路.

4.2 鐵電局域場(chǎng)調(diào)控型紅外探測(cè)器

鐵電材料與低維材料耦合可獲得一種新型的高性能紅外探測(cè)器,傳統(tǒng)的鐵電材料具有優(yōu)異的介電性、鐵電性、熱釋電性、透明度、柔韌性[81],一方面鐵電材料可作為晶體管柵介質(zhì)為溝道材料提供局域極化電場(chǎng),調(diào)控載流子濃度,可以獲得高性能的室溫近紅外光電晶體管,另一方面利用鐵電材料的熱釋電性可以制備高性能的熱探測(cè)器.

圖22 (a)光伏場(chǎng)效應(yīng)晶體管示意圖[78];(b)不同器件的增益帶寬積[65];(c)InSb作光敏介質(zhì)調(diào)控石墨烯器件結(jié)構(gòu)示意圖;(d)器件不同工作溫度下的響應(yīng)[78,80]Fig.22.(a)Schematic diagram of photovoltage field-effect transistors[78];(b)gain-bandwidth product for different types of photodetectors[65];(c)schematic diagram of mid-infrared graphene detector through interfacial gating of InSb;(d)the photoresponse of device in (c)at various temperatures[78,80].

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Wang和Hu研究組[82-86]利用有機(jī)鐵電聚合物P(VDFTrFE)作為晶體管柵介質(zhì),調(diào)控MoS2,MoTe2,In2Se3等過(guò)渡金屬二硫族化合物(TMDs)二維材料以及CdS,InP一維納米線,發(fā)現(xiàn)了將P(VDFTrFE)與二維材料結(jié)合的光電晶體管結(jié)構(gòu)具有探測(cè)率高、能耗小、探測(cè)光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn).這些優(yōu)點(diǎn)主要來(lái)源于鐵電材料優(yōu)異的介電性和鐵電性,與SiO2,Al2O3,HfO2等常用固體柵介質(zhì)材料相比,鐵電材料的介電常數(shù)更大,所提供的局域電場(chǎng)強(qiáng)度更高,因此不僅可以調(diào)節(jié)溝道材料載流子濃度,還可以擴(kuò)展探測(cè)波長(zhǎng)范圍(初步結(jié)果表明,這種超強(qiáng)的鐵電局域場(chǎng)甚至可以改變二維原子晶體的鍵長(zhǎng)和鍵角,從而改變半導(dǎo)體二維材料的禁帶寬度).鐵電材料的電滯回線見(jiàn)圖23(a),鐵電材料存在自發(fā)極化,在外電場(chǎng)作用下極化強(qiáng)度與外電場(chǎng)強(qiáng)度呈逆時(shí)針回滯關(guān)系,包含未極化、極化向上、極化向下三個(gè)狀態(tài).在晶體管結(jié)構(gòu)中鐵電材料柵介質(zhì)調(diào)控溝道載流子濃度的方式如下：以n型MoS2為例,當(dāng)P(VDF-TrFE)極性向上時(shí),MoS2費(fèi)米能級(jí)下移,溝道中多數(shù)載流子電子被耗盡,電導(dǎo)率減小;反之,當(dāng)P(VDF-TrFE)極性向下時(shí),費(fèi)米能級(jí)上移,溝道電子濃度增加,電導(dǎo)率增大.P(VDF-TrFE)處于不同極化狀態(tài)下晶體管的I-V曲線見(jiàn)圖23(b),選擇P(VDF-TrFE)極化向上狀態(tài)為探測(cè)器的工作狀態(tài),探測(cè)器的暗電流相比于未極化和極化向下?tīng)顟B(tài)減小了3個(gè)數(shù)量級(jí),而光電流幾乎不受極化電場(chǎng)的影響,因此探測(cè)器的光開關(guān)比增大,另外探測(cè)率是光電探測(cè)器探測(cè)能力的指標(biāo)參數(shù),它等于等效噪聲功率的倒數(shù),P(VDF-TrFE)極化向上狀態(tài)時(shí)探測(cè)器的探測(cè)率增大.以Wang等[82]研究的P(VDF-TrFE)-MoS2耦合體系為例,探測(cè)器對(duì)635 nm的激光響應(yīng)率達(dá)到2570 A/W,探測(cè)率為2.2×1012cm·Hz1/2·W—1,暗電流降低三個(gè)數(shù)量級(jí),信噪比達(dá)103,探測(cè)范圍從可見(jiàn)光到1550 nm,是高性能的室溫寬譜段近紅外光電探測(cè)器.鐵電材料的極化狀態(tài)在外電場(chǎng)撤去后仍能保持很長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)年以上),利用鐵電材料的剩余極化電場(chǎng)調(diào)控不再需要時(shí)時(shí)提供高柵壓,可以大大減少光電探測(cè)器件的能源損耗.值得注意的是,鐵電材料調(diào)控后光電探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)被大大擴(kuò)展,MoS2,MoTe2,In2Se3等TMDs二維材料的探測(cè)波長(zhǎng)均被拓展至1550 nm近紅外波段,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其禁帶寬度的限制,通過(guò)第一性原理計(jì)算和光致發(fā)光譜測(cè)量證實(shí)了探測(cè)波長(zhǎng)的擴(kuò)展來(lái)源于垂直電場(chǎng)對(duì)帶隙的調(diào)控,在外電場(chǎng)的作用下材料的帶隙減小.綜上所述,P(VDF-TrFE)與TMDs二維材料耦合的光子晶體管是高性能的室溫寬譜段探測(cè)器件.

圖23 (a)300 nm P(VDF-TrFE)薄膜的電滯回線;(b)P(VDF-TrFE)處于三種極化狀態(tài)下,P(VDF-TrFE)-MoS2晶體管的Ids-Vds曲線,fresh指未極化狀態(tài),P up,P down分別代表極化向上和極化向下?tīng)顟B(tài);(c),(d)P(VDF-TrFE)極化向上和極化向下時(shí)器件示意圖以及能帶圖[82]Fig.23.(a)The ferroelectric hysteresis loop 300 nm P(VDF-TrFE)film capacitor;(b)theIds-Vdscharacteristics (at ZERO gate voltage)with three states of ferroelectric layer,and the three states are fresh state (ferroelectric layer without polarization),polarization up (polarized by a pulseVgof —40 V),and polarization down (polarized by a pulseVgof —40 V)states,respectively;(c),(d)the cross-section structures of the device and equilibrium energy band diagrams of three different ferroelectric polarization states[82].

圖24 (a)石墨烯-PZT場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖;(b)石墨烯- LiNbO3熱釋電探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)圖;(c)器件的工作原理圖[87]Fig.24.(a)The schematic diagram of the graphene-PZT field effect transistor;(b)schematic of a graphene pyroelectric bolometer;(c)working mechanism diagram for the device in panel (b)[87].

熱釋電是鐵電材料的另外一個(gè)性質(zhì),熱釋電材料的極化強(qiáng)度對(duì)溫度變化十分敏感,適合做熱探測(cè)器.Sassi等[87]將石墨烯放置在鋯鈦酸鉛(PZT)材料上,器件結(jié)構(gòu)如圖24(a),PZT接收外界輻射后,表面束縛電荷積累,極化電荷作用到溝道材料石墨烯上,調(diào)控石墨烯的電導(dǎo)率,制成了一個(gè)熱探測(cè)器.Hsieh等[88]通過(guò)將石墨烯轉(zhuǎn)移到LiNbO3晶體上并沉積頂柵制成了石墨烯中紅外探測(cè)器,器件結(jié)構(gòu)如圖24(b),紅外輻射引起的溫度變化會(huì)使得LiNbO3產(chǎn)生熱釋電電荷積累在電容C3上,然后電容器C2 (C3 ＞ C2)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓Q/C2(見(jiàn)圖24(c)),由于這個(gè)放大設(shè)計(jì),器件獲得了很大的電阻溫度系數(shù)900%/K.

4.3 二維材料范德瓦耳斯結(jié)

近十幾年來(lái),新型二維材料制備高性能探測(cè)器的研究引起了非常多的關(guān)注.二維材料的最大優(yōu)勢(shì)就是超薄和具有原子級(jí)平整的理想的二維界面,這為設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)提供了可能性.由于這些新型的二維材料表面不存在懸掛鍵,層間是依靠范德瓦耳斯力結(jié)合,都可以用機(jī)械剝離的方法獲得薄層樣品.同時(shí)制作異質(zhì)結(jié)可以不受傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)界面必須晶格匹配的限制,還能夠任意角度堆疊[89,90].因此,在新型的二維層狀材料領(lǐng)域,異質(zhì)結(jié)的制作可以免受材料、晶格常數(shù)和堆疊順序的限制,具有更多選擇和更多的組合,從而實(shí)現(xiàn)更多具有新的功能電子和光電器件.新型窄帶隙二維材料的范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)是實(shí)現(xiàn)高靈敏、室溫紅外光探測(cè)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的器件結(jié)構(gòu).

高遷移率石墨烯可以作為寬波段光吸收、快速響應(yīng)的器件通道材料.但石墨烯器件存在暗電流較大的問(wèn)題,于是通過(guò)異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)可以有效抑制暗電流,且內(nèi)建電場(chǎng)能有效分離光生載流子,從而獲得高靈敏室溫紅外探測(cè)器.2012年,荷蘭科學(xué)家將石墨烯與MoS2做成異質(zhì)結(jié),成功制備了具有高性能、多功能的光存儲(chǔ)器件,隨后又利用該方法制備了超高光增益～108的光電探測(cè)器件[91,92].2014年,美國(guó)Liu等[93]制備graphene/Ta2O5/graphene隧道結(jié)紅外探測(cè)器,如圖25(a)所示.此器件能夠有效降低暗電流,同時(shí)光生電子空穴向不同石墨烯隧穿,使得電子空穴在空間上分離,有效地提高了光生載流子壽命,獲得較高紅外光響應(yīng)率.圖25(b)為五種功率下紅外響應(yīng)隨背柵電壓的變化曲線,入射光波長(zhǎng)3.2 μm,可以看到此器件能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下中波紅外的響應(yīng).另外還有一種新型窄帶隙材料黑磷,它的塊材料帶隙為0.3 eV,其探測(cè)波段能夠從紫外到中長(zhǎng)波紅外.美國(guó)耶魯大學(xué)Chen等[94]利用絕緣氮化硼最為原子級(jí)平整的襯底材料,制作h-BN/b-P/h-BN異質(zhì)結(jié)如圖25(c)所示,可以有效屏蔽襯底中的部分散射,獲得高遷移率.另外可以通過(guò)垂直電場(chǎng)調(diào)控材料帶隙,使得探測(cè)波段擴(kuò)展到7.7 μm,如圖25(d)所示.Han和Yang等采用石墨烯與有機(jī)物制備了異質(zhì)結(jié),這種探測(cè)器有非常寬的光譜響應(yīng)(405—1550 nm)和較高的增益(105),他們還制備了一些狄拉克材料與有機(jī)材料異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器,室溫下的光測(cè)到了長(zhǎng)波紅外的響應(yīng)[95-97].

圖25 (a)Graphene/Ta2O5/graphene隧道結(jié)紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖;(b)多種功率下紅外響應(yīng)曲線,入射光波長(zhǎng)3.2 μm;(c)h-BN/b-P/h-BN垂直異質(zhì)結(jié)的紅外探測(cè)器;(d)h-BN/b-P/h-BN垂直異質(zhì)結(jié)器件7.7 μm紅外光電響應(yīng)[93,94]Fig.25.(a)Structure diagram of graphene/Ta2O5/graphene tunneling diode;(b)infrared responsivity curve of variable incident power with 3.2 μm wavelength;(c)h-BN/b-P/h-BN vertical heterojunction photodetectors;(d)7.7 μm infrared responsivity of h-BN/b-P/h-BN vertical heterojunction photodetectors[93,94].

圖26 (a)p-g-n異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)p-g-n異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的光電響應(yīng);(c)黑砷磷b-As0.83P0.17樣品的光學(xué)吸收譜,插圖為黑砷磷合金b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)示意圖;(d)b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在中波紅外的光電響應(yīng)[98]Fig.26.(a)Structure diagram of p-g-n heterojunction photodetectors;(b)responsivity of p-g-n heterojunction photodetectors;(c)absorption spectrum of b-As0.83P0.17;(d)mid-infrared response of b-AsP/MoS2heterojunction photodetectors[98].

另外,Long等[98]將石墨烯插入原子層厚度的p-n結(jié)中實(shí)現(xiàn)高靈敏光探測(cè)器,如圖26(a)所示,其比探測(cè)率在可見(jiàn)波段達(dá)到 1015cm·Hz1/2·W—1,探測(cè)波段從400 nm擴(kuò)展到2.4 μm,如圖26(b)所示.黑砷磷的光吸收譜如圖26(c)所示,光學(xué)吸收邊～1250 cm—1,對(duì)應(yīng)著 8.3 μm.圖 26(c)的插圖為 b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)器件機(jī)構(gòu)示意圖,將p-型的黑砷磷與n-型的MoS2制作成p-n結(jié),其整理曲線如圖26(d)所示.對(duì)于b-AsP場(chǎng)效應(yīng)的光電探測(cè)器,其在光伏型模式工作下的噪聲等效功率在2.36—8.05 μm 都 低 于 4.35 pW·Hz—1/2.首 次 在b-AsP場(chǎng)效應(yīng)光電探測(cè)器能夠在室溫下探測(cè)到5 pW以下的長(zhǎng)波紅外光信號(hào).對(duì)于b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)器件,噪聲等效功率在2.36—4.3 μm都低于 0.24 pW·Hz—1/2,說(shuō)明 b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)器件在室溫下波長(zhǎng)到4.3 μm能夠探測(cè)到0.3 pW以下的中波紅外光.在零偏置電壓下,比探測(cè)率高達(dá)9.2×109cm·Hz1/2·W—1,同時(shí)在整個(gè)中波波段 3—5 μm 范圍 4.9×109cm·Hz1/2·W—1.對(duì)于 b-AsP場(chǎng)效應(yīng)器件比探測(cè)率在2.36 —8.05 μm波段都大于 1.06×108cm·Hz1/2·W—1,在整個(gè)中波 2.36—8.05 μm波段都大于室溫商用輻射熱探測(cè)器的比探測(cè)率 (～ 108cm·Hz1/2·W—1).

圖27 BP與MoS2異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器[99] (a)1000 K黑體源輻射下光電流與暗電流;(b)探測(cè)率的對(duì)比;(c)響應(yīng)時(shí)間Fig.27.BP/MoS2 infrared photodetector[99]：(a)Photocurrent with 1000 K blackbody source and the dark current;(b)detectivity comparison of typical infrared photodetectors;(c)response time.

低維材料制備紅外探測(cè)器雖然有較高的響應(yīng)率和探測(cè)率,但絕大多數(shù)低維紅外探測(cè)器的性能是由光功率較大的激光測(cè)試出來(lái)的,而根據(jù)紅外探測(cè)率探測(cè)標(biāo)準(zhǔn),需要通過(guò)黑體測(cè)得信號(hào)才能得到黑體探測(cè)率,這也是做低維材料紅外探測(cè)器較難突破的一個(gè)難點(diǎn).但是,最近美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Bullock等[99]利用黑磷和MoS2范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)制備了紅外探測(cè)器,采用1000 K黑體源,室溫條件下測(cè)到的黑體響應(yīng)率達(dá)到了1.1×1010cm·Hz1/2·W—1,比大多數(shù)體材料甚至商用的 PbS 紅外探測(cè)器還要高,如圖27所示.這是二維材料紅外探測(cè)器的一項(xiàng)革命性成果,標(biāo)志著低維材料紅外探測(cè)器邁向工業(yè)應(yīng)用走出了關(guān)鍵一步.

5 傳統(tǒng)紅外探測(cè)器的新方向

5.1 雪崩紅外光電探測(cè)器

雪崩光電二極管(avalanche photodiode,APD)擁有高帶寬、高增益的特點(diǎn),在弱信號(hào)探測(cè)以及需要高速度、高靈敏度和高量子效率的長(zhǎng)距探測(cè)方面有非常大的優(yōu)勢(shì),并且雪崩光電探測(cè)器在航空航天、通信,以及生物等領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量的應(yīng)用[100-104].雪崩光電二極管可以利用“雪崩”效應(yīng)來(lái)探測(cè)極弱信號(hào),如圖28所示,它的工作原理是利用p-n結(jié)在較大反偏電壓時(shí),光子入射至結(jié)區(qū)使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,在電場(chǎng)的作用下電子碰撞原子形成電子-空穴對(duì),新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)獲取動(dòng)能,產(chǎn)生額外的電子-空穴對(duì)并持續(xù)發(fā)生.當(dāng)外加電場(chǎng)低于載流子碰撞離化閾值時(shí),低能量載流子會(huì)與雜質(zhì)、聲子等發(fā)生相互作用而發(fā)生弛豫,不會(huì)發(fā)生雪崩過(guò)程;只有當(dāng)外加電場(chǎng)大于載流子碰撞離化閾值時(shí),載流子才能發(fā)生雪崩效應(yīng);當(dāng)外加電場(chǎng)太大,會(huì)使器件的雪崩效應(yīng)更加不可控制,造成過(guò)剩噪聲因子較大,使器件無(wú)法正常工作,因此需要有精確的器件設(shè)計(jì),來(lái)保證低過(guò)剩噪聲因子、高增益雪崩光電探測(cè)器的制備[105-107].本節(jié)介紹在短波紅外、中波紅外及長(zhǎng)波紅外波段實(shí)現(xiàn)雪崩光電探測(cè)器,分別為空穴注入型InGaAs/InP APD、電子空穴同時(shí)雪崩的InSe/BP異質(zhì)結(jié)APD和電子注入型的HgCdTe APD.

圖28 傳統(tǒng)光伏型紅外探測(cè)器 (a)和雪崩光電探測(cè)器(b)工作時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.28.The tunneling effect (a)and avalanche effect (b)in p-n junction under large reverse bias.

InGaAs是直接帶隙半導(dǎo)體材料,它的離化系數(shù)比非常大,是較為合適的空穴注入型雪崩光電探測(cè)器材料.并且In0.53Ga0.47As能帶寬度為0.73 eV,晶格常數(shù)與InP襯底匹配,InGaAs已成為目前近紅外波段性能最優(yōu)的紅外探測(cè)器材料.InGaAs/InP APD具有高靈敏度、高探測(cè)率及能高頻成像的特點(diǎn),它在蓋革模式的工作條件下可實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè),成為量子保密通信領(lǐng)域的核心探測(cè)元件.但是目前InGaAs/InP APD存在暗計(jì)數(shù)較大、后脈沖和噪聲等問(wèn)題,而光敏面積大是影響器件性能的重要原因.如何解決減小器件光敏面積且不降低量子效率的問(wèn)題是提高器件性能的關(guān)鍵.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所設(shè)計(jì)了新型MIM微結(jié)構(gòu)耦合APD器件,如圖29所示.他們對(duì)集成MIM結(jié)構(gòu)的APD進(jìn)行了一系列相關(guān)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)暗電流水平降低了1/48,而光電流水平與未耦合APD器件相當(dāng),大大地提高了器件性能[108-110].

圖29 InGaAs/InP APD的MIM結(jié)構(gòu)示意圖[108—110] (a)偏振選擇型結(jié)構(gòu)示意圖;(b)無(wú)偏振選擇型結(jié)構(gòu)示意圖;(c),(d)分別為SEM圖Fig.29.MIM structure diagram used for InGaAs/InP avalanche photodiode[108-110]：(a)Polarization selective structure;(b)non-polarization selective structure;(c)and (d)are the SEM image.

圖30 (a)BP/InSe雪崩光電二極管的電流特性;(b)器件的噪聲及增益水平;(c)傳統(tǒng)的雪崩光電探測(cè)器載流子碰撞過(guò)程;(d)彈道雪崩效應(yīng)示意圖Fig.30.(a)I-Vcharacteristics of BP/InSe APD;(b)noise and gain of BP/InSe APD;(c)traditional ionizing collision process;(d)ballistic avalanche mechanism of BP/InSe APD[111].

圖31 離化過(guò)程能帶結(jié)構(gòu)示意圖 (a)空穴注入型;(b)電子注入型Fig.31.The diagram of ionization process：(a)Hole injection;(b)electron injection.

黑磷(BP)一種新型的二維材料,它與石墨烯類似但又擁有通過(guò)層數(shù)可控的帶隙寬度,因此量子效率相對(duì)較高.黑磷的電子空穴離化系數(shù)比為1,根據(jù)雪崩倍增理論[107],用黑磷制備APD器件可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)剩噪聲因子比較大.但最近南京大學(xué)Gao等[111]通過(guò)制備InSe/BP范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié),發(fā)現(xiàn)在相對(duì)較小的反偏電壓下,器件就會(huì)發(fā)生雪崩.最吸引人的是這種雪崩器件居然擁有非常低的噪聲,如圖30所示.他們將這種低噪聲、低閾值電壓的雪崩稱為“彈道雪崩效應(yīng)”,并解釋到,黑磷作為倍增層的厚度只有10 nm,而這短至10 nm的倍增區(qū)將小于載流子的自由程,即電子和空穴在電場(chǎng)作用下通過(guò)倍增區(qū)時(shí)不會(huì)與聲子或者其他雜質(zhì)等發(fā)生碰撞,會(huì)經(jīng)過(guò)“彈道輸運(yùn)”到達(dá)倍增區(qū)邊界.到達(dá)倍增區(qū)材料邊界后,載流子與晶格發(fā)生碰撞離化產(chǎn)生新的電子空穴對(duì),從而產(chǎn)生更多的載流子發(fā)生雪崩.由于載流子在輸運(yùn)過(guò)程中是彈道輸運(yùn),所以器件噪聲非常低.并且此器件可響應(yīng)到中波紅外,增益可達(dá)到104,這種新型的電子空穴同時(shí)發(fā)生倍增的雪崩光電探測(cè)器將對(duì)雪崩光電二極管起到重要的啟發(fā)作用.

Hg1—xCdxTe具有高吸收系數(shù)、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)、量子效率高、工作波長(zhǎng)可調(diào)、長(zhǎng)載流子壽命等優(yōu)點(diǎn),尤為可貴的是HgCdTe中電子、空穴離化系數(shù)差異可以很大,非常適合制作高性能APD.Leveque等[112]研究了HgCdTe材料中載流子的離化系數(shù)比k與HgCdTe組分x之間的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)組分x在0.6附近時(shí),HgCdTe非常適合制備空穴注入型雪崩光電探測(cè)器,此時(shí)發(fā)生雪崩時(shí)電子價(jià)帶激發(fā)致導(dǎo)帶所需能量與空穴自旋軌道劈裂能量相同,如圖31(a)所示;當(dāng)組分x小于0.5時(shí),HgCdTe非常適合制備電子注入型雪崩光電探測(cè)器,而這個(gè)組分x對(duì)應(yīng)的探測(cè)波段正是中波紅外和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)窗口,此時(shí)電子的碰撞離化過(guò)程如圖31(b)所示.根據(jù)能量與動(dòng)量守恒,發(fā)生碰撞離化的初始載流子需要有足夠大的能量,對(duì)應(yīng)的外部閾值電壓值為Vth,并且此閾值能量必須大于能帶寬度,且還要提供其他散射所需要的能量或者動(dòng)量的交換.

HgCdTe APD是由美國(guó)DRS公司的Beck等[113,114]首次制備成功的,器件具有高達(dá)1000的雪崩增益和低至～1的過(guò)剩噪聲因子,證明了HgCdTe材料可以制備高性能APD.Beck等[115]于2007年研制了24 μm中心距、128×128陣列規(guī)模的HgCdTe APD焦平面探測(cè)器,器件如圖32所示.他們也已經(jīng)成功制備了長(zhǎng)波HgCdTe APD器件(截止波長(zhǎng) ～ 9.7 μm),在77 K的工作溫度下,增益超過(guò)100[116].

圖32 DRS制備的128×128 HgCdTe APD焦平面器件照片和器件平均增益[115]Fig.32.The photograph of 128×128 HgCdTe APD FPA fabricated in DRS and the average gain[115].

圖33 Sofradir公司利用HgCdTe APD 3D實(shí)時(shí)成像截圖[118]Fig.33.The 3D real time imaging print screen of HgCdTe APD fabricated in Sofradir[118].

法國(guó)Sofradir公司Rothman等[117-119]制備了增益超過(guò)10000的單元器件,并研制了320×256的HgCdTe APD焦平面探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)了主/被動(dòng)雙模和3D成像;然后,他們還完成了中心距為15 μm、384×288的 HgCdTe APD 焦平面,并進(jìn)行了雪崩模式下器件的被動(dòng)熱成像,3D雷達(dá)成像如圖33所示.

國(guó)內(nèi)也針對(duì)中長(zhǎng)波HgCdTe APD進(jìn)行了一系列研究.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所分別采用液相外延和分子束外延成功制備了具有高增益低噪聲中波HgCdTe APD器件,并且在HgCdTe APD局域場(chǎng)的操控機(jī)理方面也取得了一些成果.胡偉達(dá)課題組[120,121]研究了電子注入型p-i-n結(jié)構(gòu)HgCdTe APD器件結(jié)構(gòu)特征以及缺陷濃度對(duì)暗電流的影響,結(jié)果表明缺陷輔助隧穿電流和局域場(chǎng)誘導(dǎo)的帶間隧穿電流是HgCdTe APD暗電流及噪聲的主要原因;并且針對(duì)離子注入和In原位摻雜等工藝對(duì)提高器件性能提出了改進(jìn)方法,如圖34所示.昆明物理研究所也通過(guò)液相外延方法制備了增益超過(guò)1000的單元器件,并且具有與國(guó)際上報(bào)道相當(dāng)?shù)男阅?

圖34 平面結(jié)(a)和臺(tái)面結(jié)(b)碲鎘汞雪崩光電探測(cè)器在不同工藝下的暗電流特性曲線[121]Fig.34.TheI-Vcharacteristic of planar (a)and mesa (b)HgCdTe APD with variable fabrication process[121].

圖35 熱載流子紅外探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)和能帶示意圖[122]Fig.35.Structure and band diagram of hot carriers infrared photodetectors[122].

雪崩光電探測(cè)器是新一代紅外探測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向,具有高靈敏性、弱光探測(cè)能力和高頻工作能力的雪崩光電探測(cè)器將在空間通信、軍事和遙感等領(lǐng)域起到重要作用.

5.2 熱載流子紅外探測(cè)器

熱載流子是指在電場(chǎng)或光場(chǎng)的作用下獲取較大能量的電子或空穴,其平均動(dòng)能高于晶格及載流子在零外場(chǎng)作用下的平均動(dòng)能.最近,Lao等[122,123]提出了一種利用熱載流子進(jìn)行紅外探測(cè)的新概念探測(cè)器,其探測(cè)波長(zhǎng)可以達(dá)到50 μm之上,突破了半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)受半導(dǎo)體禁帶寬度的限制.

這種制備的熱載流子紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖35所示,器件襯底為GaAs,另外利用了三層p型重?fù)?p=1×1019cm—3)GaAs分別作為注入?yún)^(qū)、吸收區(qū)和收集區(qū),其異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用了AlGaAs材料,夾于GaAs層中分別用作階梯勢(shì)壘和恒定勢(shì)壘.根據(jù)能帶理論,GaAs與Al0.57Ga0.43As價(jià)帶帶偏為0.32 eV,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)僅為3.9 μm,即使通過(guò)摻雜或其他方法調(diào)控此異質(zhì)結(jié)價(jià)帶帶偏,也不會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)甚長(zhǎng)波 (λ＞ 15 μm)的探測(cè).然而,他們對(duì)此結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了光響應(yīng)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在甚長(zhǎng)波紅外波段仍有響應(yīng),如圖36所示,可以看到器件在5.3 K時(shí)—0.06 V偏壓下,響應(yīng)截至波長(zhǎng)能夠達(dá)到55 μm,這探測(cè)截至波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)已經(jīng)超出了半導(dǎo)體禁帶寬度限制.

為了澄清其探測(cè)器甚長(zhǎng)波響應(yīng)的來(lái)源,他們進(jìn)行了傅里葉變換紅外光譜測(cè)試并計(jì)算了光譜權(quán)重,如圖37所示,可以看到器件在—0.1 V偏壓附近對(duì)不同波段的響應(yīng)有著最大值,其甚長(zhǎng)波響應(yīng)與偏壓沒(méi)有單調(diào)關(guān)系,這說(shuō)明了器件甚長(zhǎng)波響應(yīng)并不是輻射熱效應(yīng);另外,由于吸收層GaAs是重?fù)诫s,雜質(zhì)帶已經(jīng)與價(jià)帶簡(jiǎn)并,因此甚長(zhǎng)波響應(yīng)也不是載流子從雜質(zhì)帶與價(jià)帶間躍遷導(dǎo)致的.

圖36 熱載流子紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)[122]Fig.36.Photo response of hot carriers infrared photodetectors[122].

圖37 熱載流子紅外探測(cè)器光譜權(quán)重圖[122]Fig.37.Spectral weight diagram of hot carriers infrared photodetectors[122].

在進(jìn)行探測(cè)器光響應(yīng)分析時(shí),他們首先利用傅里葉紅外光譜儀輻射或外部激發(fā)光作為泵浦光,這樣就會(huì)產(chǎn)生由光照激發(fā)的熱載流子,對(duì)應(yīng)的泵浦光電流就會(huì)產(chǎn)生變化.經(jīng)過(guò)微分泵浦光電流和微分光譜權(quán)重的對(duì)比分析,他們認(rèn)為正是由于泵浦光激發(fā)產(chǎn)生的熱載流子產(chǎn)生了甚長(zhǎng)波紅外響應(yīng).基于escape-cone模型[124],他們對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果證明了此探測(cè)器的甚長(zhǎng)波紅外響應(yīng)就是源于熱載流子.并且,他們通過(guò)對(duì)不同波長(zhǎng)泵浦光下探測(cè)器紅外響應(yīng)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱載流子能量的操控,結(jié)果如圖38所示,可以看到當(dāng)濾波器波長(zhǎng)為4.5 μm以上時(shí),甚長(zhǎng)波響應(yīng)幾乎消失了,而又通過(guò)外部光源進(jìn)行激發(fā),探測(cè)器又重新出現(xiàn)了甚長(zhǎng)波響應(yīng).因此通過(guò)不同波長(zhǎng)的泵浦光激發(fā),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱載流子紅外探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)的調(diào)控.

圖38 不同波長(zhǎng)泵浦光下器件光譜權(quán)重圖[122]Fig.38.Spectral weight diagram with variable pump light[122].

這種利用操控?zé)彷d流子進(jìn)行甚長(zhǎng)波探測(cè)的方法為傳統(tǒng)材料制備甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器打開了新的一扇門.2018年,美國(guó)佐治亞州立大學(xué)運(yùn)用此方法實(shí)現(xiàn)了將半導(dǎo)體探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)延長(zhǎng)至68 μm[125],雖然此類器件工作溫度比較低,但可以預(yù)見(jiàn)熱載流子紅外探測(cè)器在甚長(zhǎng)波、太赫茲波段有非常重要的應(yīng)用前景,操控?zé)彷d流子的方法也將對(duì)光電探測(cè)器有很強(qiáng)的啟發(fā)性.

5.3 勢(shì)壘阻擋型紅外探測(cè)器

HgCdTe,InSb及Ⅱ類超晶格材料作為紅外探測(cè)器雖有非常大的優(yōu)勢(shì),但由于它們能帶較窄,相應(yīng)的暗電流過(guò)大,成為限制其性能的重要原因.勢(shì)壘阻擋型器件(XBp及XBn)的提出,成為解決器件暗電流過(guò)大的一種有效方法.勢(shì)壘阻擋型器件主要工作原理是通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使異質(zhì)結(jié)材料的能帶差主要落在導(dǎo)帶或者價(jià)帶上,從而阻止載流子的導(dǎo)電而降低暗電流.勢(shì)壘阻擋型器件通常分為吸收層、勢(shì)壘層和電極層,本節(jié)主要介紹吸收層和電極層為n型摻雜的窄帶隙材料的紅外探測(cè)器(nBn)研究進(jìn)展,其能帶結(jié)構(gòu)如圖39所示.

圖39 nBn型器件和能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.39.Structure and band diagram of nBn devices.

nBn器件是一種單極性器件,由Maimon與Wicks在研究III—V族器件時(shí)于2006年提出[126].這種結(jié)構(gòu)完全放棄了p型摻雜,僅通過(guò)N型摻雜和能帶工程就能獲得與PN結(jié)相似的特性.通過(guò)在電極層與吸收層之間嵌入一個(gè)寬禁帶隔離層B層,其厚度僅在幾十納米量級(jí).通過(guò)選擇合適的勢(shì)壘隔離層材料,可以使其與電極層和吸收層之間的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘幾乎完全落在導(dǎo)帶上,從而利用這一導(dǎo)帶勢(shì)壘來(lái)阻止電極層中多數(shù)載流子的導(dǎo)電,但不會(huì)阻擋吸收區(qū)中的光生電子;同時(shí)通過(guò)施加一定的反向偏壓以幫助吸收層中的光生空穴穿越較小的價(jià)帶勢(shì)壘以形成光電流.

圖40 普通PN結(jié)二極管器件與XBn器件的暗電流與溫度相關(guān)性[127]Fig.40.Schematic Arrhenius plot of the dark current in a standard diode andXBn device[127].

受半導(dǎo)體材料質(zhì)量的影響,其雜質(zhì)和缺陷會(huì)在耗盡區(qū)的帶隙中形成一定的能級(jí),這些雜質(zhì)能級(jí)形成的復(fù)合中心可以有效促進(jìn)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合,由此帶來(lái)的Shockley-Read-Hall (SRH)復(fù)合電流是在液氮溫度下工作的中長(zhǎng)波紅外器件G-R電流的主導(dǎo)因素.而對(duì)于nBn器件通過(guò)控制摻雜可以使耗盡區(qū)盡可能從窄禁帶的吸收層進(jìn)入寬禁帶的勢(shì)壘層,而在寬帶隙的勢(shì)壘層中幾乎不產(chǎn)生SRH電流從而顯著降低G-R電流.紅外探測(cè)器的暗電流機(jī)制主要是G-R電流與擴(kuò)散電流競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,在低溫下主要是G-R電流而在高溫下則是擴(kuò)散電流占主導(dǎo).普通二極管的暗電流與溫度的相關(guān)性如圖40所示[127],其中T0被定義為擴(kuò)散和G-R電流相等的“交叉”溫度,虛線則表示幾乎沒(méi)有G-R電流的理想勢(shì)壘阻擋型器件的暗電流特性.圖示結(jié)果表明在工作溫度低于T0下,勢(shì)壘阻擋型器件相比于傳統(tǒng)PN結(jié)光電二極管具有更優(yōu)秀的暗電流特性.此外,由于G-R電流相比擴(kuò)散電流顯著地受到偏壓的影響,因此具有更好的探測(cè)器陣列均勻性.除對(duì)上述體暗電流的抑制效果以外,nBn器件由于其寬帶隙勢(shì)壘層覆蓋在吸收層表面,本身即可作為天然的鈍化層而存在,因此還可以顯著抑制器件的表面漏電并降低對(duì)鈍化工藝的要求.此外,若nBn的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取勢(shì)壘層與吸收層同型摻雜,可以有效避開某些材料P型制備工藝的困難.

圖41 InSb nBn探測(cè)器(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖和(b)能帶結(jié)構(gòu)示意圖[128,129]Fig.41.Schematic diagram of (a)design of InSb nBn structure and (b)energy band of InSb nBn structure[128,129].

圖42 nBn結(jié)構(gòu)InSb探測(cè)器 (a)77 K下暗電流特性;(b)104—170 K暗電流特性;(c)77 K下光譜響應(yīng);(d)不同溫度和結(jié)構(gòu)下的暗電流特性[128,129]Fig.42.For InSb nBn infrared photodetectors,the dark current characteristics at (a)77 K and (b)104-170 K,(c)the spectral response at 77 K,and (d)the dark current characteristics at different temperatures and structures[128,129].

法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)和索芙拉蒂公司于2014年首次報(bào)道了基于nBn結(jié)構(gòu)的InSb紅外探測(cè)器實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[128].器件結(jié)構(gòu)如圖41所示,通過(guò)分子束外延(MBE)在Te摻雜n型襯底(100)InSb上生長(zhǎng),包括400 nm厚的Te摻雜(4×1017cm—3)InSb緩沖層,1 μm 厚的 Te 摻雜 (1×1016cm—3)InSb吸收層,50 nm厚的非故意摻雜(nonintentionally doped)InAlSb阻擋層(Al組分在0.15—0.35之間漸變),200 nm厚的Te摻雜(1×1016cm—3)InSb蓋帽層.通過(guò)在阻擋層中增加Al組分漸變的設(shè)計(jì),可以在保持足夠高導(dǎo)帶勢(shì)壘以阻擋電子導(dǎo)電的同時(shí)維持較低的價(jià)帶勢(shì)壘以允許光生空穴少子流動(dòng),并控制三元合金InAlSb勢(shì)壘層和InSb襯底之間的晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變.InSb被生長(zhǎng)在富銻的體系中,整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)配有Sb2閥控裂解源的 VARIAN GEN II MBE在Te摻雜 (4×1017cm—3)n 型InSb 襯底(100)上生長(zhǎng).其中銦和鋁的生長(zhǎng)速率是0.5單層/s,生長(zhǎng)溫度400 ℃,銻和銦的生長(zhǎng)速率比(束流比)為4.器件在 135 K及—50 mV下暗電流密度為 2×10—5A/cm2.為了進(jìn)一步提升工作溫度并評(píng)估器件性能,2015年P(guān)erez等[129]報(bào)道了改進(jìn)后的中波紅外InSb nBn探測(cè)器結(jié)果,其中蓋帽層的摻雜提升到了2×1016cm—3,勢(shì)壘層依舊采取組分漸變?cè)O(shè)計(jì),Al組分由0.2漸變至0.35,該器件在77 K下截止波長(zhǎng)為 5.4 μm,—50 mV偏壓下暗電流 1×10—9A/cm2(圖42);在150 K下截止波長(zhǎng)達(dá)到了5.85 μm,—50 mV 下暗電流 2×10—4A/cm2.與同樣生長(zhǎng)條件下的InSb pin器件(p型材料為Be摻雜)相比,同等工作條件下nBn器件暗電流要低20倍以上,可在高出20 K的工作溫度下達(dá)到同等暗電流水平.

Rodriguez等于2007年將nBn概念應(yīng)用在Ⅱ類超晶格探測(cè)器上[130],美國(guó)西北大學(xué)[131-133]、新墨西哥大學(xué)[130,134-139]、以色列SCD公司[140-143]等在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大量的研究工作.2017年,美國(guó)西北大學(xué)的Haddadi等[131]報(bào)道了在GaSb襯底上制備的基于InAs/AlSb/GaSb Ⅱ類超晶格的短波紅外nBn光電探測(cè)器,其中寬帶隙電子勢(shì)壘層采用AlAs0.10Sb0.90/GaSb H-結(jié)構(gòu)超晶格,如圖43(a)所示.整個(gè)器件生長(zhǎng)在Te摻雜(1×1017cm—3)的n型GaSb襯底上,然后是500 nm厚的n 型 (1×1018cm—3)InAs0.91Sb0.09緩沖層,500 nm厚的n型eSWIR接觸(1×1018cm—3),1 μm厚的n型eSWIR吸收區(qū)(1×1014cm—3),300 nm厚的超晶格勢(shì)壘層和200 nm厚的n型SWIR接觸(1×1018cm—3).其中eSWIR區(qū)和n-接觸區(qū)分別是8/1/5/1單層周期性生長(zhǎng)的InAs/GaSb/AlSb/GaSb及5/1/5/1單層周期性生長(zhǎng)InAs/GaSb/AlSb/GaSb,n型區(qū)采用硅摻雜.在1.9 μm下,室溫(300 K)時(shí)測(cè)得該器件峰值響應(yīng)率達(dá)到了0.65 A/W.在工作溫度150 K施加400 mV偏壓下,其截止波長(zhǎng)約為2.5 μm,量子效率達(dá)到了41% (無(wú)抗反射涂層),暗電流密度為 9.5×10—9A/cm2,探 測(cè) 率 為 1.12×1013cm·Hz1/2·W—1.在300 K時(shí),其截止波長(zhǎng)約為3.9 μm,暗電流密度為8×10—3A/cm2,探測(cè)率為 1.51×1010cm·Hz1/2·W—1.

圖43 短波紅外InAs/GaSb/AlSb/GaSb Ⅱ類超晶格nBn探測(cè)器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)量子效率;(c)暗電流特性;(d)探測(cè)率[131]Fig.43.SWIR InAs/GaSb/AlSb/GaSb nBn detector based on Type-II superlattice：(a)Structure diafram;(b)quantum efficiency;(c)dark current characteristics;(d)detectivity at different temperature[131].

圖44 以色列SCD公司制備Pelican-D系列長(zhǎng)波探測(cè)器 (a)探測(cè)器組件;(b)77 K下成像結(jié)果[141—143]Fig.44.(a)Photograph of long-wavelength infrared (LWIR)InAs/GaSb pBp device based on Type-II superlattice fabricated by Israel SCD company;(b)image at 77 K[141—143].

以色列SCD公司利用pBp Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)于2013年開始研制Pelican-D系列中波紅外焦平面探測(cè)器,在2015年又推出了長(zhǎng)波Pelican-D系列探測(cè)器,并將其焦平面陣列互連到中波Pelican-D讀出電路上[141-143].其陣列規(guī)模為640×512,像元中心距(像元間距)15 μm,在77 K下截止波長(zhǎng)9.3 μm.作為SCD推出的第一款長(zhǎng)波紅外XBp焦平面探測(cè)器,Pelican-D LW的量子效率達(dá)到了70%以上,可操作像元大于99.5%,30 Hz下的噪聲等效溫差(NETD)約為13 mK(f/2.7).圖44所示為Pelican-D LW系列相機(jī)及77 K下拍出的照片.

nBn結(jié)構(gòu)由于優(yōu)秀的暗電流抑制效果及在高溫器件上的發(fā)展前景,因此在碲鎘汞器件上具有巨大的應(yīng)用潛力.2011年,美國(guó)密歇根大學(xué)的Itsuno等[144]首次將nBn概念應(yīng)用到碲鎘汞紅外器件上,并對(duì)碲鎘汞nBn器件進(jìn)行了理論模擬計(jì)算.2012年,Itsuno等[145]在此基礎(chǔ)上又提出了改進(jìn)的nBvn結(jié)構(gòu)器件以抑制俄歇復(fù)合從而提高工作溫度.與普通nBn結(jié)構(gòu)相比,nBvn結(jié)構(gòu)在吸收層外增加了一層寬帶隙重?fù)絥型區(qū)構(gòu)成了對(duì)空穴的“排斥結(jié)”.吸收層中的空穴在偏壓下將向蓋帽層與勢(shì)壘層構(gòu)成的“抽取結(jié)”移動(dòng)并越過(guò)價(jià)帶勢(shì)壘進(jìn)入蓋帽層以形成光電流,隨著偏壓的升高這一對(duì)空穴的抽取效果將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“排斥結(jié)”向吸收層補(bǔ)充空穴的速度,因此吸收層中的電子濃度將低至熱平衡狀態(tài)以下;類似地,吸收層中的電子將向排斥結(jié)移動(dòng),但勢(shì)壘層價(jià)帶勢(shì)壘的存在同樣阻止了吸收層中電子的補(bǔ)充.這將顯著降低吸收層中載流子的濃度從而抑制俄歇復(fù)合.圖45顯示的結(jié)果表明與中/長(zhǎng)波nBvn器件的暗電流和探測(cè)率相比,nBn與雙層組分異質(zhì)結(jié)(DLPH)器件在這兩方面均有顯著的改善.

勢(shì)壘阻擋型紅外探測(cè)器可以有效降低暗電流,提高器件的工作溫度,可以降低探測(cè)系統(tǒng)功耗節(jié)約成本,但異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)對(duì)于高性能紅外探測(cè)器的制備將會(huì)是非常大的挑戰(zhàn).

5.4 雙色/多色紅外探測(cè)器

雙色/多色探測(cè)是新一代紅外探測(cè)系統(tǒng)重要組成部分,當(dāng)一個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)在兩個(gè)甚至更多波段獲取目標(biāo)的特征信息,就能避免更多噪聲對(duì)成像的干擾,從而提升對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效果,因此,雙色/多色探測(cè)可以廣泛應(yīng)用于軍事、氣象和資源遙感等領(lǐng)域[14,146,147].

圖45 碲鎘汞nBvn,nBn及DLPH器件的(a)中波暗電流、(b)長(zhǎng)波暗電流、(c)中波探測(cè)率和(d)長(zhǎng)波探測(cè)率[144]Fig.45.The dark current of (a)MWIR and (b)LWIR HgCdTe nBvn,nBn and DLPH devices;(c)and (d)show the detectivity of MWIR and LWIR devices,respectively[144].

碲鎘汞在1972年實(shí)現(xiàn)了雙色紅外探測(cè)器的制備,美國(guó)、英國(guó)和法國(guó)碲鎘汞多色紅外探測(cè)器也于20世紀(jì)70年代在軍事上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[148].美國(guó)Rockwell公司采用As注入雙層組分異質(zhì)結(jié),實(shí)現(xiàn)了同步讀出雙色器件的的制備,這種方式減小了多層材料結(jié)構(gòu)的層數(shù),而且不用再進(jìn)行原位摻雜,成結(jié)工藝與第二代碲鎘汞紅外探測(cè)器相同[149].法國(guó)Sofradir公司也根據(jù)這種方法實(shí)現(xiàn)了雙色探測(cè)器的制備[150].至于多色碲鎘汞紅外焦平面的制備,需要采用環(huán)孔工藝和多層外延,工藝更加復(fù)雜,光敏元的占空比和量子效率限制了其大規(guī)模的應(yīng)用發(fā)展.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Hu等[151]對(duì)碲鎘汞雙色紅外探測(cè)器的研究及制備方面取得了較大的進(jìn)展.他們利用分子束外延的方法,在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)了128×128 長(zhǎng)波/中波紅外焦平面探測(cè)器的制備,雙波段截止波長(zhǎng)分別為4.8 μm和9.7 μm,峰值比探測(cè)率分別為3.2×1011cm·Hz1∕2·W—1和 4.3×1010cm·Hz1∕2·W—1,并且串?dāng)_只有1.25%,器件的光電特性和成像結(jié)果如圖46所示.

成熟的分子束外延生長(zhǎng)工藝使得量子阱紅外探測(cè)器和超晶格紅外探測(cè)器更容易實(shí)現(xiàn)雙色/多色紅外探測(cè).量子阱多色紅外探測(cè)器的原理是采用不同基態(tài)-連續(xù)態(tài)能量的多量子阱串聯(lián),一般采用GaAs/AlGaAs等材料[152,153].美國(guó)Jet Propulsion Laboratory (JPL),Army Research Laboratory(ARL)和Thales公司等均已成功制備多色量子阱焦平面紅外探測(cè)器,其長(zhǎng)波模式下室溫背景限工作溫度約在70 K,甚長(zhǎng)波工作模式下室溫背景限工作溫度約在40 K,噪聲等效溫差均小于50 mK.超晶格多色紅外探測(cè)器多采用InAs/GaSb材料,通過(guò)生長(zhǎng)不同微帶的Ⅱ類超晶格,實(shí)現(xiàn)雙色或者多色探測(cè)[154-156].德國(guó)弗勞恩霍夫研究所和美國(guó)西北大學(xué)等單位均已制備中波/長(zhǎng)波雙色紅外焦平面探測(cè)器,它們的工作溫度一般在78 K,中波探測(cè)率能夠達(dá)到室溫背景限.

圖46 128×128長(zhǎng)波/中波雙色碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器 (a)暗電流特性;(b)中波/長(zhǎng)波光譜響應(yīng)曲線;(c)中波長(zhǎng)波成像效果Fig.46.128×128 long-wavelength/mid-wavelength two-color HgCdTe infrared focal plane：(a)Dark current characteristic;(b)spectral response;(c)two-color imaging.

圖47 (a)HgTe量子點(diǎn)雙色紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu);(b)雙色探測(cè)率隨溫度的變化;(c)冷水與熱水的雙色成像[157]Fig.47.(a)Structure of HgTe quantum dot dual-band infrared photodetector;(b)temperature dependent short-wavelength and mid-wavelength detectivity;(c)two-color imaging of cold and hot water[157].

最近,美國(guó)芝加哥大學(xué)研制了一種膠體量子點(diǎn)堆疊的短波/中波紅外探測(cè)器,他們采用了n-pn結(jié)構(gòu)Bi2Se3和Ag2Te分別作為n型層和p型層,n與p中間堆疊HgTe量子點(diǎn),如圖47所示[157].通過(guò)調(diào)節(jié)HgTe量子點(diǎn)的大小,可以使量子點(diǎn)在短波和中波有較高的吸收系數(shù).這種HgTe量子點(diǎn)短波探測(cè)率在室溫可接近 1×1011cm·Hz1∕2·W—1,低溫時(shí)探測(cè)率沒(méi)有變化,中波探測(cè)率在85 K達(dá)到了 1×1010cm·Hz1∕2·W—1,因此在 85 K 下,這種量子點(diǎn)紅外探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)短波/中波紅外雙色探測(cè).這種低成本雙色紅外探測(cè)器在民用上有比較大的應(yīng)用前景.

6 總 結(jié)

日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求促使著紅外探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)向著智能化、小型化、低功耗和低成本等方向發(fā)展,紅外探測(cè)器作為紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心元部件其性能將起到?jīng)Q定作用.可以預(yù)見(jiàn),以碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷、超晶格和量子阱為代表的傳統(tǒng)紅外探測(cè)器仍將主導(dǎo)整個(gè)紅外探測(cè)領(lǐng)域,以此形成的高靈敏性、高分辨率、甚長(zhǎng)波探測(cè)和多色探測(cè)等將得到進(jìn)一步發(fā)展;微結(jié)構(gòu)耦合的傳統(tǒng)紅外探測(cè)器將有望顛覆傳統(tǒng)強(qiáng)度探測(cè),向多維度、數(shù)據(jù)立方探測(cè)方向發(fā)展,形成一體化、芯片化光學(xué)成像系統(tǒng),降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本;基于能帶工程調(diào)控的量子級(jí)聯(lián)探測(cè)、帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器將在高工作溫度、低暗電流方面有望取得突破性進(jìn)展;石墨烯、黑磷、納米線及其新型異質(zhì)結(jié)等低維材料紅外探測(cè)器將在低成本、室溫工作、寬光譜及柔性探測(cè)器方面取得突破.這一系列具有變革性的新型紅外探測(cè)器的提出將引領(lǐng)新一代紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展.