一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器-Fudan

一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器

王晗1,2，李世龙1，甄红楼1，李梦瑶1,2，聂晓飞1,2，黄高山3，梅永丰3*，陆卫1*

(1.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083；

2.中国科学院大学，北京100049；

3.复旦大学材料科学系，上海200433)

摘要：基于传统的光刻和化学湿法腐蚀工艺，通过卷曲技术，提出一种三维管状量子阱红外探测器。该管状器件相比于未卷曲的平面器件，在垂直入射光照下，展现了优良的暗电流、黑体响应和光电流响应率特性曲线。当工作温度60 K，偏置电压0.45 V时，管状器件峰值响应率为20.6 mA/W，峰值波长3.62 μm，最大量子效率2.3%。从几何光学的角度分析了管状器件的垂直光吸收原理，进而揭示了一种特殊的光耦合方式。最后，进一步测试了不同角度入射光照射下的光电流响应率谱。由于微管的近似圆形对称性，器件具有很宽的视角，有助于红外探测系统的设计。

关键词：卷曲微管；红外探测器；量子阱；光耦合

中图法分类号：TN362 文献标示码：A

引言

量子阱红外探测器(quantum well infrared photodetector, QWIP)作为20世纪90年代发展起来的第三代红外探测器，具有材料生长工艺成熟、器件均匀性好、光响应速度快及波长连续可调等优点[1-2]，在国防、航空航天、天文观测和民用领域等有广阔的应用前景[3]。QWIP 基于量子阱的子带跃迁，即在吸收外界光子后电子从阱内的基态跃迁到第一激发态进而形成光电流来实现红外探测。由于量子阱的一维限制结构（电子在材料生长方向上受限），只有电场分量沿着量子阱生长方向的入射光才能被其吸收[4]。因此，QWIP存在着如何耦合外界光的问题。图1(a)为最简单的光耦合方式——布儒斯特角耦合[5]，器件响应和量子效率非常低；图1(b)为45o边耦合[6-7]，即入射光从器件边缘打磨出的45o斜面入射，这种方式不适用于大规模的焦平面阵列；此外，在器件表面制作出金属或介质光栅、随机发射层或波纹层后，器件可以实现光栅耦合[8-10]、随机反射耦合[11]或波纹耦合[12]，如图1(c)、1(d)和1(e)所示。由于QWIP的子带跃迁工作模式，其量子效率较带间跃迁红外探测器偏小。因此，为提高QWIP的量子效率，一些具有电磁共振效果的光耦合结构被广泛采用。图1(f)展示了一种光子晶体耦合结构[13]，它可以实现器件的窄带增强响应；图1(g)和1(h)分别为金属二维孔洞阵列耦合结构[14]和金属-绝缘体-金属微腔耦合结构[15]，同样可以提高器件的量子效率。值得指出的是，由于利用耦合结构的共振模式，这些QWIP只能实现窄带的响应增强。我们提出一种管状的量子阱红外探测器(tubular QWIP)，其无需额外的结构就能直接吸收垂直入射光，并具有宽视角和宽频率的响应特点[16]。

本工作介绍了三维管状量子阱红外探测器件的设计和制备，给出了该器件在60 K温度下的暗电流、黑体响应和光电流响应等电学测试结果，并从几何光学的角度理解了器件吸收垂直入射光的基本原理，最后探索了器件在不同入射角下的光电流谱。

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基金项目: 国家自然科学基金(51322201, 61575213), 上海市科学技术委员会(14JC1400200)

Foundation items: Natural Science Foundation of China (51322201, 61575213), Shanghai Municipal Science and Technology Commission (14JC1400200)

作者简介(Biography):王晗(1986-), 男, 湖北随州人, 博士研究生, 主要研究领域为三维量子阱红外探测器. E-mail:

hwang@

*通讯作者(Corresponding author): E-mail: yfm@, luwei@

图1 (a)布儒斯特角耦合；(b) 45o边耦合；(c)光栅耦合；(d)随机反射耦合；(e)波纹耦合；(f)光子晶体耦合；(g)金属二维孔洞阵列耦合；(h)金属-绝缘体-金属微腔耦合

Fig. 1 (a) Brewster’s angle coupling; (b) 45o edge-facet coupling; (c) Grating coupling; (d) Random reflection coupling; (f) Ripple coupling; (f) Photonic crystal coupling; (g) Two-dimensional metal hole array coupling; (h) Metal-insulator-metal (MIM) microcavity coupling

1 器件设计和制备

器件材料通过分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy, MBE, 型号: Riber compact 21)制备。如图2(a)所示，首先将30 nm的AlAs牺牲层沉积在GaAs (100)衬底上；然后生长20 nm的In0.2Al0.2Ga0.6As应力层，提供用于薄膜卷曲的内应力。接着，依次生长50 nm高硅掺杂的GaAs下电极层，2 nm的AlAs腐蚀阻挡层和一个周期的量子阱有源层，该量子阱由30 nm的Al0.34Ga0.66As势垒和2 nm的In0.35Ga0.65As势阱组成。随后，30 nm的硅掺杂浓度为1 ⨯ 1018 cm-3的GaAs电导层覆盖其上，用来传导电流。最后沉积的是2 nm的AlAs腐蚀阻挡层和190 nm的高硅掺杂GaAs上电极层。其中，上、下电极层的硅掺杂浓度均为1 ⨯ 1018 cm-3。

器件的制备采用标准的光刻和化学湿法腐蚀工艺。首先，样品经过光刻和湿法腐蚀依次制作出上电极台面和光吸收区台面，如图2(b)所示，下电极层也暴露出来。此处腐蚀GaAs 上电极层和量子阱层使用的是配比为4:1的柠檬酸/双氧水混合液，腐蚀AlAs阻挡层使用的是浓度为10%的氢氟酸溶液。然后，利用电子束蒸发在上下电极层上沉积AuGe/Ni/Au金属