具有變革性特征的紅外光電探測器*

胡偉達 李慶 陳效雙 陸衛?

1)(中國科學院上海技術物理研究所,紅外物理國家重點實驗室,上海 200083)

2)(中國科學院大學,北京 100084)

1 引 言

紅外輻射指在電磁輻射頻譜中介于可見光和微波之間、波長范圍在0.76—1000 μm的電磁波.紅外輻射是在1800年被英國天文學家Herschel[1]利用分光鏡和水銀溫度計首次發現的,涂黑的水銀溫度計也成為了人類歷史上第一個紅外探測器,如圖1所示人類對紅外輻射的研究自此開始.在那之后的一百多年里,雖相繼發現了熱電效應[2]、光伏(photovoltaic,PV)現象[3]、光電導(photoconductive,PC)現象[4],但只有利用光熱電效應的紅外探測器被實際使用,人們沒有領會到紅外輻射所蘊含的豐富信息,紅外探測器的發展也較為緩慢.進入20世紀后,普朗克提出了能量的量子化假說,愛因斯坦建立了光電效應理論,使人們對光的量子性有了深入的了解,利用光電效應探測紅外光有了理論支撐,紅外光電探測器(簡稱紅外探測器,如若特殊聲明,本文所提到的紅外探測器都是特指光子型的紅外光電探測器)進入了快速發展的時代.1917年,美國人Case[5]在軍方的支持下利用Tl2S研制出世界上第一個光導型紅外探測器,但由于器件性能不穩定、噪聲太大、可重復性低等原因,項目在1918年夭折.1930年,德國研究人員首先對紅外探測器進行了改進[6,7],并在1933年發現了PbS紅外光子探測器,探測波長可達到3 μm.19世紀30年代,美國無線電公司發明了顯像管,這使得紅外探測器的應用前景得到了拓展.在第二次世界大戰期間,PbS探測器以及紅外顯像管等作為國家絕密武器在戰爭中使用,直到1945年人們才逐漸知道并認識到紅外探測器的重要性,紅外探測器技術自此成為了軍事領域重要的研究方向之一.二戰結束后,紅外探測在通信、消防和遙感系統也展現了其巨大的應用價值,具有更好性能的PbTe,PbSe和InSb等紅外探測材料也相繼被發現和使用[8,9].但是這些鉛鹽半導體紅外探測器熱膨脹系數大而難以與硅工藝集成制備大陣列器件且量子效率偏低;低溫工作環境下性能較高的InSb材料探測截至波長只能到中波紅外.1959年,英國人Lawson與他的合作者們[10]發明并人工合成了HgCdTe材料,這對近60年來紅外探測技術的發展起到了極其重大的影響.

胡偉達,男,1979年出生,研究員,博士生導師.國家杰出青年獲得者,中國青年科技獎、國家優秀青年基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金獲得者.Infrared Physics ＆ Technology副主編、Optical and Quantum Electronics 執行主編、美國SPIE DCS Defense and Security-Infrared Technology and Applications、International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices等系列國際會議程序委員.現工作于中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室,主要從事紅外探測器的機理和應用研究.

陸衛,男,1962年出生,研究員,博士生導師.國家杰出青年基金獲得者,國家自然科學基金創新群體項目負責人,J.Appl.Phys.副主編.作為第一完成人獲得國家自然科學二等獎1項,國家技術發明二等獎1項,代表性成果“III—V族半導體量子結構中量子態光電功能調控”入選國家“十二五”科技創新成就展.先后任紅外物理國家重點實驗室主任(2002—2012),中國科學院上海技術物理研究所所長(2013—2019).現工作于中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室,主要從事光電子材料與器件及其相關凝聚態物理研究、光子晶體及其紅外光電技術中應用研究.

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

1970年,美國IBM實驗室Esaki和Tsu[16]提出了超晶格概念并在GaAs襯底上制備了超晶格,標志著半導體材料的發展開始進入人工設計的時代.根據半導體能帶原理,當交替地生長兩種較好晶格匹配的半導體材料周期性結構時,可以使電子沿生長方向的運動產生振蕩形成微帶,通過調節生長周期或選擇不同材料可以進行能帶設計,即所謂的能帶工程,制備具有不同光學性質的光電器件.近年來,以InAs/GaSb為代表的Ⅱ類超晶格紅外探測器發展十分迅速,Ⅱ類超晶格是一種典型的能帶工程材料,在一些重要參數如R0A、量子效率及噪聲等效溫差方面與第二代HgCdTe紅外探測器器件性能相當.值得一提的是,III—IV族材料的外延工藝相對成熟且均勻性好,使得Ⅱ類超晶格在未來超規模紅外焦平面探測器方面有非常巨大的應用前景.近年來,基于能帶工程進行紅外探測波段的調控是第三代紅外探測器的重點研究方向之一.

大面陣HgCdTe紅外探測器和Ⅱ類超晶格紅外探測器,作為第三代紅外探測器的典型代表,是目前正在大力發展并大規模應用的兩個主流方向,但它們也面臨著諸多問題.由于高質量的HgCdTe外延襯底CdZnTe面積有限,大面陣HgCdTe材料價格非常昂貴,制造成本是HgCdTe紅外探測器向更廣闊市場推進的壁壘;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法到達最佳;多層組分異質材料制備技術仍存在困難,導致可應用的雙色/多色探測器、雪崩倍增(APD)探測器和高溫工作(HOT)探測器不能大規模量產.Ⅱ類超晶格導致電子和空穴在空間上出現了分離,使超晶格光吸收系數較低;另外,Sb化物的少子壽命、器件漏電流、高質量材料制備和成本等也是制約Ⅱ類超晶格紅外探測器的原因.

圖1 紅外探測器發展歷史Fig.1.History of infrared photodetectors.

當前,以碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷為代表的傳統紅外光電探測器已在軍事、遙感、通信、生命科學和宇宙探索等領域發揮著至關重要的作用.隨著人類對光電探測不斷增長的需求,尤其近幾年來在人工智能、大數據、智慧城市等方面對紅外信息的探測和智能感知有著強烈的需求,大幅降低紅外光電探測器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和價格(price)以及提高探測器的性能(performance)(簡稱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器件.當前紅外探測器正處于新舊更迭的時代,一大批新型紅外光電探測器涌出.本文系統地介紹了一些具有變革性特征的紅外探測器前沿內容,主要包括：人工光子微結構增強的新型紅外探測器、基于能帶工程調控的紅外探測器、新型低維材料紅外探測器,以及傳統紅外探測器的新方向.最后,展望了紅外光電探測未來發展面臨的機遇和挑戰.

2 人工光子微結構調控的新型紅外探測器

近幾年來,隨著表面鈍化工藝、材料缺陷控制技術、異質外延技術等不斷成熟,第三代紅外探測器經歷了快速發展的過程,器件的暗電流抑制(即非本征暗點流)幾乎已經達到了極限.如若要進一步提高器件性能,就必須抑制與器件體積成正比的本征暗電流.

20世紀80年代末,國際上提出了光子晶體概念,人工光子微結構材料開始引起人們的重視.人工光子微結構材料是有序排列的功能材料,由于周期調制導致的能帶結構和局域場,可以操控光子和光生電子的傳輸特性,帶來獨特的光電響應.典型的人工光子微結構包括：表面等離子激元微結構、金屬-介質-金屬 (metal-insulator-metal,MIM)等離子激元微結構、光子晶體限光結構.很多科學機構大膽地預測人工微結構在21世紀將改變人的生活.2005年,隨著基于亞波長人工結構的提出,美國和中國先后研制出了多種紅外通信波段與二維光子晶體相關的集成光子器件,實現了1.55 μm通信波段近紅外光波在硅基微結構波導上的單向傳播,實現了響應速度為10 fs的光開關,并采用人工微結構金屬小顆粒大大改善了激光器和太陽能電池的性能,為人工微結構在光電器件中的實際應用開辟了嶄新的方向.

在紅外探測器領域,利用人工光子微結構大幅提高“光”子的耦合效率,可以保持器件光響應率(量子效率)的同時大幅降低器件暗“電”流,從而提高器件探測率,稱之為 “光”“電”聯合調控;同時,人工光子微結構與探測器焦平面結構是共享的相同面陣,與焦平面是兼容的.每個單元既是人工微納結構的最小周期單元,也是焦平面的光敏PN單元,從而大大降低了大面紅外探測器陣列讀出電路的難度.本節介紹已成功制備的兩種微結構調控的新型紅外探測器的研究進展.

2.1 陷光結構紅外探測器

陷光結構是人工光子微結構的一種,其方法是在器件的正面或者背部進行微納加工,形成按一定規律排列的周期性柱狀結構[17]或者孔狀結構[18]調控入射的光場,以此增加光的傳播路徑從而提高吸收.對所提出的陷光結構的幾何參數進行優化可以減少入射光子的反射率,尤其對于亞波長陷光結構紅外探測器其幾何尺寸與探測波長接近,會具有類似光柵的效果將入射光向面內方向發生衍射.由于本征暗電流與材料的體積成正比,通過減小光敏源的體積暗電流明顯減小,亞波長陷光結構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.特別是陷光結構與焦平面陣列有著很好的兼容,使得陷光結構在紅外焦平面陣列的領域有著很好的應用前景.目前陷光結構已經在HgCdTe紅外探測器[19]、量子點紅外探測器[20]和太陽能電池[21]等器件上進行了研究.

圖2是美國Raytheon[22]公司在2011年研制的不同柱狀結構和孔狀結構的HgCdTe中波紅外(截止波長5 μm)探測器,研究結果發現運用了光子晶體器件的量子效率可實現在入射光波長4 μm、填充因子0.5—0.7之間基本維持不變.

2013年,Pinkie等[23]設計了一種被入射陷光結構HgCdTe中波紅外探測器.這種設計的核心思想是對HgCdTe的CdZnTe襯底進行機械剝離,然后直接對HgCdTe的吸收層刻蝕形成表面微結構.他們采用有限差分方法(finite-difference timedomain,FDTD)方法聯合有限元方法(finite element method)利用半導體器件模擬軟件(TCAD)數值模擬了這種陷光結構HgCdTe紅外探測器在0.5—5 μm波長范圍內的光學特性和電學特性.

圖2 美國Raytheon公司制備的不同陷光結構的中波HgCdTe紅外探測[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陷光結構[23] (a)像元間距為8 μm的HgCdTe紅外探測器陣列的單個像元示意圖;(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為所設計的陷光結構HgCdTe紅外探測器示意圖,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.傳統非陷光結構的HgCdTe紅外探測器其材料的介電常數與空氣的介電常數不匹配,導致器件有30%左右的反射損耗,如圖4(a)所示,通過合理設計柱狀結構的幾何參數使得器件在入射波長為1—4.5 μm范圍內反射率遠小于1%;并且如圖4(b)所示,有陷光結構HgCdTe紅外探測器的量子效率在波長1—5 μm基本維持在90%左右,遠大于非陷光結構HgCdTe紅外探測器.

2017年,Gao等[24]證明了微米級和納米級小孔能夠在Si光電二極管實現光捕獲.Si光電探測器目前最主要用于可見光探測領域,對于600 nm或者更短的波長,Si的吸收系數α高達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提高外量子效率,然而吸收層厚度增加導致光生載流子的渡越時間增加.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)的橫向電場分布的結果,其中XY方向設置為周期性邊界條件,右側的圖描述了從t=0—21 fs的初始瞬態時間演變.該結果表面在小孔的周圍產生了橫向的波,并且在XY方向形成了橫向的振蕩模式.通過比較柱狀小孔和漏斗型小塊在橫向方向的電場模式,漏斗型小孔陣列在XY方向的模式強度更強,更適合做陷光結構.

為獲取量子效率與探測率之間的平衡,傳統器件器件厚度往往是受限的,入射光反射也會導致能量損失.陷光結構耦合傳統紅外探測器能夠減小反射、提高傳統探測器外量子效率,并且在提高焦平面器件的集成度方面有比較大的優勢,通過進一步控制陷光結構成本和成品率,將會得到更多的應用和發展.

圖4 單個像元間距為6 μm的陷光結構與非陷光結構陣列數值模擬的(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 等離激元增強型紅外探測器

等離激元學(plasmonics)是微納光子學的前沿研究領域之一[25].借由固體中關聯電子的集體運動,等離激元可以將電磁場能量局域于遠小于波長的區域內,從而達到近場增強的效果.由于金屬-電介質界面上物質場與電磁場的強烈相互作用,在界面附近存在著豐富的光子態密度,這使得等離激元既可以極大地增強光發射的效率,又可以增強光探測效率.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)兩種激發形式[26].從應用的角度來看,SPP與LSP通常是相互關聯的,并可以直接進行耦合[27].

基于嚴格數學形式的表面等離激元的物理理論的建立開始于Sommerfeld[28]的開創性工作,他討論了無線電波在有限電導率的金屬表面傳播的問題.在光波段最早的SPP研究開始于1902年Wood[29]對金屬光柵的異常吸收問題.Kretschmann和Raether[30]在實驗上首次通過棱鏡,將可見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的表面傳播的電磁波.由于其空間頻率大于在任何一個介質中傳播的空間頻率,其在遠離界面的方向傳播總是指數衰減的,即形成的是倏逝波(evanescent wave).假設介質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數值模擬在垂直光照射時小孔周圍橫向電場的模式(頂部是XY截面,底部為YZ截面;時間從左到右增加,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.考慮到邊值關系與無源方程的齊次性,除一個總的復振幅以外,其他所有系數是可以直接確定的.在金屬與電介質表面的等離激元波見圖7.

表面等離激元的激發需要波矢匹配,在光電探測領域通常使用人工結構進行波矢匹配,棱鏡耦合與帶電粒子轟擊等方式較為少見.最常見的人工結構是金屬光柵,如Bouchon等[31]通過GaAs蝕刻出高的高寬比的結構后,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,可以通過設計其他結構在滿足波矢匹配的情況下實現探測器的增強和其他功能.Chang等[32]在量子點紅外探測器上覆蓋金屬孔洞陣列,實現了在8.8 μm處130%的增強.牛眼結構由Thio等于2001提出[33],之后在光電探測領域也得到了較多的應用[34].牛眼結構可以將光場聚焦到牛眼中心的小區域,在中心布置一小像元后,可以降低暗電流、避免串擾.Echtermeyer等[35]將石墨烯光電探測器置于金屬光柵之上,發現探測器響應率提升了400%.如果將不同周期的金屬光柵的方向進行細致的排布,可以同時探測不同的波長和偏振.Laux等[36]通過設計圖9(f)所示的結構,得到了可以分辨三個波長并具有偏振探測能力的表面等離激元結構.

圖7 表面等離激元波示意圖(金屬表面的電子對入射光的響應產生了表面幾十納米內的電子密度的輕微擾動,構成了金屬中表面電子的集體激發模式)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,可見在共振波長10.05 μm處,光場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)量子點紅外探測器上覆蓋金屬孔洞陣列SPP結構的器件示意圖[32];(b)金屬孔洞陣列SPP結構的SEM照片[32];(c)牛眼探測器的SEM照片[33];(d)劈裂牛眼結構[34];(e)石墨烯表面等離激元器件結構示意圖[35];(f)偏振多波長SPP結構[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期.當時羅馬人使用可以產生LSP的金屬納米顆粒來對玻璃器皿進行著色.而在物理上對LSP的正確認識源于20世紀初[37].從直觀的物理圖像的角度來看,LSP是金屬納米顆粒中的自由電子與電磁場耦合后產生的非傳導態的等離激元激發模式.在直徑遠小于波長假設(準靜態近似,quasi-static approximation)下,金屬顆粒的散射問題的解自然地包含LSP的模式[38].這是由于金屬顆粒的曲面邊界給電子一個回復力,使得電子在外場和回復力的共同作用下,產生等離激元共振.

如果所考慮的結構單元較大,則不能滿足準靜態近似.此時電磁場在結構單元的尺度上的相位有明顯的變化,需要直接通過求解麥克斯韋方程來得到正確的解.數值求解這類問題通常使用時域有限差分方法或有限元方法來進行.當結構單元為球形時,Mie[37]在不借助準靜態近似的情況下,給出了電磁場在球形金屬顆粒作用下的散射和吸收的普適理論,現在通常被稱為Mie理論.

局域等離激元增強有很多途徑,其中最常見的方式是通過特別設計的納米天線產生局域等離激元共振(localized plasmon resonance)實現[39].如果通過周期調節表面等離激元的共振峰,同結構單元的特征長度對應的局域等離激元的共振峰相重合,可以得到更高的光場局域效果,如圖10(f)—(h)所示,Miao等[40]制備的金陣列增強光吸收的MoS2光電探測器.除人工微結構的方法產生LSP以外,由于LSP本身只依賴于單個結構單元,可以采用化學制備的方式得到,如TiS2納米片[41]與硅量子點[42],如圖10(a)—(e)所示.

近年來,等離激元在光電探測領域出現了另一類獨具特色的應用.金屬結構微元與半導體相接觸,并形成肖特基勢壘.當結構微元受到外場的激發時,產生等離激元電子-空穴對.而由于光子能量較高,電子可以越過肖特基勢壘,注入到半導體中.注入到半導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領域有很多優勢,這類過程可以用于探測能量小于材料帶隙的光子.由于電子的注入過程只依靠光子能量,基于等離激元熱電子注入的光電探測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共同增強量子阱紅外探測器;(c),(d)納米片的LSP共振與非共振模式下的電場分布圖[41];(e)硅量子點輔助的超寬譜石墨烯探測器[42];(f)—(h)金陣列增強型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器,其探測波長約在1600 nm以內,結果發表在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結構做成如圖11所示的能帶結構,那么也應該有等離激元熱電子注入現象.2014年,Chalabi等[44]在兩層金屬之間用Al2O3作為勢壘層,得到了基于SPP的等離激元熱電子注入型光電探測器,如圖12(c)所示.

Fang等[45]使用六角形的復合金結構單元為等離激元激發單元,將其疊加在兩層石墨烯之間,得到了石墨烯-等離激元-石墨烯的三明治結構.據其文章陳述,相比較于無等離激元結構的石墨烯結構,該結構得到了800%的等離激元增強.等離激元熱電子應用十分廣泛,Brongersma等[46]以及Christopher和Moskovits[47]進行過詳細的介紹.

等離激元增強型紅外探測器在偏振探測、提高響應率、降低暗電流、高效室溫長波探測等方面具有獨到的優勢.不可否認的是,目前這種紅外探測器僅僅是理論上能夠提高性能,受限于當前半導體制備工藝技術的限制,它們距大規模量產和應用仍有很遠的距離.可能隨著深度學習在微納光子結構設計中的應用和光刻技術的進步,等離激元熱電子注入、低維材料紅外探測器、超表面和拓撲光子學等技術的發展,等離激元增強型紅外探測器會有較大的應用前景.

圖11 等離激元熱電子能帶圖(肖特基勢壘為φB;電子-空穴對受激光激發;滿足動量守恒要求對應的過程為聲子輔助或雜質輔助的)[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器

超晶格概念的提出,使具有周期性勢場的異質結構材料制備紅外探測器成為可能.1985年,量子阱中紅外偶極躍遷被發現,證實了利用量子阱可以實現紅外探測[48];1987年,美國貝爾實驗室Levine等[49]制造了GaAs/AlAs量子阱紅外探測器;同年,利用Ⅱ類超晶格實現紅外探測的設想被提出并在之后得到了快速的發展[50].近些年來,基于能帶工程的新型量子級聯探測器和帶間級聯探測器的提出,極大地豐富了紅外探測器的應用.

3.1 量子級聯紅外探測器

量子級聯探測器(quantum cascade detectors,QCDs)是由瑞士Hofstetter研究組在2002年基于量子級聯激光器發現其探測能力,它是量子阱紅外探測器的一種改良[51].量子級聯紅外探測器一般分為吸收區和輸運區,其能帶結構如圖13所示,吸收區基于子帶間躍遷進行紅外吸收,這與量子阱紅外探測器類似;輸運區能級成階梯狀,光激發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聲子能量時,會產生共振,此時光生載流子利用聲子輔助隧穿就實現輸運.

量子級聯探測器是光伏型紅外探測器,相比于量子阱紅外探測器,它工作時不需要加偏置電壓,這樣它的暗電流會非常小;它的噪聲將會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];它的吸收區是基于電子從量子阱的基態到束縛態的子帶間躍遷,這樣使它的響應光譜較窄,可以用作高質量單色探測器;它的電子輸運過程非常迅速,使得它的本征響應時間較短,可用來制備高頻光電探測器[55];另外,它的多周期結構可以用來設計不同響應波長的吸收區,這樣它在多色探測方面會有非常大的優勢[56,57].近年來,中國科學院上海技術物理研究所和華東師范大學等單位在量子級聯探測器的研究上取得了較好的進展.

圖12 (a)基于LSP的光電探測器結構示意圖;(b)基于LSP的光電探測器SEM照片[43];(c)基于SPP的光電探測器結構示意圖;(d)基于SPP熱電子的光電探測器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 量子級聯探測器能帶結構示意圖Fig.13.Band diagram of quantum cascade detectors.

在提高量子級聯探測器的性能方面,Li等[56]設計了基于等離激元微腔耦合探測器的集成方法,結構如圖14所示,使器件的峰值響應率、黑體響應率達到了數倍的提升,降低了器件噪聲等效溫差并且微腔結構使器件具備了偏振選擇性,而且此方法能夠應用在中/長波雙色量子級聯探測器,實現雙色光耦合機制.

在提高量子級聯探測器應用前景方面,Li等[59]設計了一系列寬帶響應量子級聯探測器.常規量子級聯探測器運行機制是基于載流子從束縛態到另一束縛態的躍遷過程,所以得到的探測器響應線寬較窄,為了滿足寬帶響應探測器需求,他們分別設計了雙阱吸收、微帶吸收和低勢壘寬帶響應量子級聯探測器.雙阱吸收量子級聯探測器是設計了兩個尺寸、摻雜相同且空間距離較近能夠相互耦合實現能級的劈裂,如圖15(a)所示,這樣就可以實現兩組能量相近但不相等的子帶間躍遷,通過調節耦合勢壘寬度即可調節光譜寬度實現寬帶響應.微帶吸收量子級聯探測器是設計了多個尺寸和摻雜相同的量子阱結構,如圖15(b)所示,這樣就形成了類似超晶格的吸收層,載流子可以從基態微帶躍遷至激發態微帶,使光譜響應得到展寬.低勢壘寬帶響應量子級聯探測器是將量子阱的勢壘高度降低,如圖15(c)所示,這樣載流子可以從基態躍遷至束縛態、準束縛態及連續態,通過合理地利用多組躍遷就能拓展探測器的光譜寬度.

在提高量子級聯探測器環境適應能力方面,日本Dougakiuchi等[60]設計了量子阱耦合In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子級聯探測器,其能帶結構如圖16(a)所示.這種探測器實現了室溫對中波紅外(5.4 μm)探測,如圖16(b)所示,其響應率在室溫仍能達到130 mA/W,探測率可以達到1.1×108cm·W—1·Hz1/2.

圖14 表面等離激元微腔結構耦合量子級聯探測器結構示意圖[56,58]Fig.14.Diagram of plasmonic micro-cavity coupled QCDs[56,58].

圖15 寬光譜量子級聯探測器設計 (a)雙阱吸收;(b)微帶吸收;(c)低勢壘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量子級聯探測器[60] (a)能帶結構;(b)響應率;(c)探測率Fig.16.Quantum well coupled In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As QCDs[60]：(a)Band diagram;(b)responsivity;(c)detectivity.

量子級聯探測器作為新型紅外探測器展現出非常優良的性能,尤其在多色探測、高溫、高頻工作及甚長波探測方面有非常重要的應用前景,但其量子效率較低的缺點是一個亟需解決的問題.

3.2 帶間級聯紅外探測器

帶間級聯探測器(interband cascade detectors,ICDs)是在2005年由美國Li等[61]提出的.帶間級聯探測器的結構與量子級聯探測器類似,分為吸收區和弛豫區,如圖17所示.其吸收區為Ⅱ類超晶格結構,弛豫區通常為多量子阱結構,載流子在吸收區通過紅外輻射的激發,然后進入弛豫區借助聲子輔助隧穿作用實現載流子的輸運[62].

圖17 帶間級聯探測器能帶結構示意圖Fig.17.Band diagram of interband cascade detectors.

帶間級聯探測器也是光伏型紅外探測器,相比其他傳統紅外探測器在高溫工作時更有優勢.2005年,美國伊利諾伊大學香檳分校制備的帶間級聯探測器就能夠實現300 K的工作溫度下對中波紅外有21 mA/W的響應率(4.0 μm)和7.1×108cm·W—1·Hz1/2的探測率 (4.4 μm)[61].2010年,美國奧克拉荷馬大學Yang等[63]通過優化弛豫區設計,其能帶結構示意圖見圖18(a),最終實現了在室溫320 K下對5.0 μm中波紅外有200 mA/W的響應率,且量子效率達到了約26%.其在不同溫度下探測率如圖18(b)所示,可以看到隨著溫度的升高,其探測截止波長也逐漸增大,在320 K時其截止波長達到了7 μm以上.2016年,中國科學院上海技術物理研究所Zhou等[64]設計了少周期帶間級聯探測器,顯著提高了探測器的量子效率.

圖18 (a)帶間級聯探測器弛豫區的優化設計;(b)探測率隨溫度的變化[63]Fig.18.(a)Optimization design of relaxation region in ICDs;(b)temperature dependent of the detectivity [63].

圖19 響應率隨溫度的變化 (a)單周期結構;(b)雙周器結構[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聯探測器,器件的吸收區為8層InAs和7層GaAsSb超晶格結構,對應的探測波長為3.9 μm (80 K)和4.8 μm(300 K).經過精確地控制材料生長和進行常規流片工藝,最終制備了 200 μm×200 μm 臺面器件.測試結果如圖19所示,可以看到單周期和雙周期器件在300 K時峰值響應率分別達到了800 mA/W和600 mA/W,并且器件在常溫也有較高的量子效率.這是國際上首次報道的InAs基帶間級聯探測器,表明了InAs襯底可以實現高性能帶間級聯探測器的制備.

圖20 常溫工作時典型探測器峰值探測率對比Fig.20.Comparison of peak detectivity among typical photodetector at room temperature.

帶間級聯探測器作為一種基于能帶工程的器件,在高溫工作方面展現出了非常大的優勢,雖然常溫器件距離背景限探測率仍有很大的空間需要提升,如圖20所示,但也彌補了HgCdTe,InSb等傳統中長波紅外探測器高溫工作性能較差的不足,是具有廣闊應用前景的紅外探測器之一.

4 新型低維材料紅外探測器

相比傳統體材料,低維半導體材料在某一個維度上具有亞微米、納米甚至原子級幾何尺寸,其巨大的比表面積以及優異的光電轉換特性使其在紅外探測領域具有得天獨厚的優勢.受益于其尺寸效應,低維半導體材料更容易被外場調控,通過局域電場能夠完全耗盡載流子,降低暗電流;此外,低維材料超高的內凜光電增益(103—106)是其實現高探測率紅外探測的保障.近年來,新型低維材料在材料生長、轉移、器件制備與表征等進展迅速,本節分別介紹新型低維材料在局域場調控和范德瓦耳斯結的紅外探測器研究進展.

4.1 光誘導局域場調控型(photogating)紅外探測器

Photogating(光誘導柵控效應)[65]在低維光電探測體系中顯得尤為重要.對于低維材料而言,光吸收是個難以克服的問題.以二維材料為例,薄至幾個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,嚴重影響了探測器的量子效率,也使得器件的響應率和靈敏度下降.Photogating的存在使得低維材料即使光吸收依然不足,也能通過增益實現可觀的甚至超高的響應率.

Photogating可以簡單理解為光生電勢調控.與傳統的光導型或者光伏型探測器通過光輻照直接提升載流子濃度從而增加光電導的方式不同,photogating利用的是光輻照產生的電勢去間接調控光晶體管溝道材料的電導,凈光電流可以表達為 ΔI=gm·ΔVg,其中gm=?Id/?Vg是晶體管的跨導,ΔVg是等效光生電壓.

有兩種途徑可以導致明顯的photogating效應.其中最常見的是在復合型的低維體系中,比如堆垛的二維材料、一維量子點和二維材料復合結構等[66-70].由于異質界面的存在,光生電子空穴可以被分離至不同的材料中,使得某一種過剩載流子的壽命變長并且對溝道產生電勢調控.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,也能導致類光生電勢調控溝道電導的現象[71-73].該種因為過剩少子壽命變長而導致高增益的photogating效應也可以理解為一種光電導效應的特殊情況,凈光電流可表示為ΔI=G·N0·e,其中N0為單位時間內器件吸收的光子數;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間之比,即G=τlife/τtran.由于較長的光生載流子壽命,光電晶體管(phototransistors)的響應速度比較慢.

2012年,Konstantatos等[74]驗證了一種基于石墨烯和量子點復合的高增益結構.機械剝離的單層或雙層石墨烯沉積在Si/SiO2襯底上被制備成場效應晶體管,石墨烯表面旋涂了一層PbS量子點.該結構中,量子點作為光敏層,而石墨烯因為自身的高遷移率成為載流子快速輸運通道.在光激發的作用下,量子點中產生自由電子空穴對,其中空穴遷移至石墨烯,而光生電子停留在量子點層形成對石墨烯溝道的電勢調控(或摻雜),如圖21(a)所示.在1 V的偏壓下,載流子渡越時間τtran約為1 ns,而τlife在10 ms—1 s的量級,所以器件光增益高達 107—109,比探測率～1013cm·Hz1/2·W—1.2017年,同樣是該單位的研究團隊,將大面積化學氣相沉積生長的石墨烯、旋涂的PbS量子點和CMOS讀出電路相集成,制備了一個寬譜(300—2000 nm)的388×288焦平面,并實現了短波近紅外(1100—1850 nm)成像,見圖21(b)[75].該成果充分驗證了photogating效應在低維材料復合探測體系中的實用性.此外,材料本身缺陷誘導的photogating也可能很大程度地提升器件的探測性能.2014年,Guo等[76]發現了單根InAs納米線光晶體管中由photogating引起的負光電導現象.光生電子被局域的表面態俘獲并產生電場抑制溝道電導,使得器件在可見-近紅外波段的光增益高達—105.進一步,該研究組利用了表面態俘獲光生電子在低溫下難以釋放的機制,實現了快速(～ 60 μs)寬譜紅外(830—3113 nm)響應[77].2016年,Guo等[73]報道了一個基于黑磷的高增益室溫中紅外探測器,結構如圖21(c)所示.由于黑磷中淺雜質能級缺陷的存在,光生載流子壽命變長,器件獲得了高增益,室溫3.39 μm的光響應率高達82 A/W.

圖21 (a)石墨烯/量子點復合結構增益原理圖[74];(b)CMOS集成的石墨烯/量子點焦平面結構示意圖[75];(c)室溫中紅外高增益黑磷探測器結構示意圖[73];(d)室溫高增益高響應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增強的器件存在帶寬受限的問題,即高光增益來源于長載流子壽命,器件響應速度慢.2017年,Adinolfi和Sargent[78]提出了“光伏場效應晶體管”的概念.器件的基本結構是結型場效應晶體管,如圖22(a)所示,溝道為輕p摻的Si,PbS量子點作為近紅外光敏介質沉積在溝道上.受紅外光輻照時,量子點產生大量空穴,減弱了量子點和p-Si的內建場強度,使得耗盡區變窄,溝道電導大幅上升.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正比于晶體管的跨導,意味著高增益反而可以帶來更高的帶寬.該器件的實驗增益帶寬積達109Hz,而理論極限是1013Hz (圖22(b)).該成果證明,光生電勢間接調控溝道電導的方法,即photovoltaics-gating,可能應用于新型超高性能紅外探測器的設計中.除了結型場效應晶體管,普通的金屬半導體場效應晶體管也可能實現類似性能.2016年,Guo等[79]利用入射光在輕p摻硅襯底和氧化層界面產生的電勢調控了單層石墨烯溝道,器件對520 nm入射光的響應率約為1000 A/W,響應速度約為400 ns,增益帶寬積約達109Hz.2018年,日本的一個研究組用傳統紅外薄膜材料InSb代替Si (圖22(c)),實現了50 K溫度下中紅外4.6 μm響應率為33.8 A/W,此外器件最高工作溫度達150 K (圖22(d))[80].

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

4.2 鐵電局域場調控型紅外探測器

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器,傳統的鐵電材料具有優異的介電性、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為溝道材料提供局域極化電場,調控載流子濃度,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器.

圖22 (a)光伏場效應晶體管示意圖[78];(b)不同器件的增益帶寬積[65];(c)InSb作光敏介質調控石墨烯器件結構示意圖;(d)器件不同工作溫度下的響應[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].

中國科學院上海技術物理研究所Wang和Hu研究組[82-86]利用有機鐵電聚合物P(VDFTrFE)作為晶體管柵介質,調控MoS2,MoTe2,In2Se3等過渡金屬二硫族化合物(TMDs)二維材料以及CdS,InP一維納米線,發現了將P(VDFTrFE)與二維材料結合的光電晶體管結構具有探測率高、能耗小、探測光譜范圍寬等優點.這些優點主要來源于鐵電材料優異的介電性和鐵電性,與SiO2,Al2O3,HfO2等常用固體柵介質材料相比,鐵電材料的介電常數更大,所提供的局域電場強度更高,因此不僅可以調節溝道材料載流子濃度,還可以擴展探測波長范圍(初步結果表明,這種超強的鐵電局域場甚至可以改變二維原子晶體的鍵長和鍵角,從而改變半導體二維材料的禁帶寬度).鐵電材料的電滯回線見圖23(a),鐵電材料存在自發極化,在外電場作用下極化強度與外電場強度呈逆時針回滯關系,包含未極化、極化向上、極化向下三個狀態.在晶體管結構中鐵電材料柵介質調控溝道載流子濃度的方式如下：以n型MoS2為例,當P(VDF-TrFE)極性向上時,MoS2費米能級下移,溝道中多數載流子電子被耗盡,電導率減小;反之,當P(VDF-TrFE)極性向下時,費米能級上移,溝道電子濃度增加,電導率增大.P(VDF-TrFE)處于不同極化狀態下晶體管的I-V曲線見圖23(b),選擇P(VDF-TrFE)極化向上狀態為探測器的工作狀態,探測器的暗電流相比于未極化和極化向下狀態減小了3個數量級,而光電流幾乎不受極化電場的影響,因此探測器的光開關比增大,另外探測率是光電探測器探測能力的指標參數,它等于等效噪聲功率的倒數,P(VDF-TrFE)極化向上狀態時探測器的探測率增大.以Wang等[82]研究的P(VDF-TrFE)-MoS2耦合體系為例,探測器對635 nm的激光響應率達到2570 A/W,探測率為2.2×1012cm·Hz1/2·W—1,暗電流降低三個數量級,信噪比達103,探測范圍從可見光到1550 nm,是高性能的室溫寬譜段近紅外光電探測器.鐵電材料的極化狀態在外電場撤去后仍能保持很長時間(數年以上),利用鐵電材料的剩余極化電場調控不再需要時時提供高柵壓,可以大大減少光電探測器件的能源損耗.值得注意的是,鐵電材料調控后光電探測器的探測波長被大大擴展,MoS2,MoTe2,In2Se3等TMDs二維材料的探測波長均被拓展至1550 nm近紅外波段,遠遠超過了其禁帶寬度的限制,通過第一性原理計算和光致發光譜測量證實了探測波長的擴展來源于垂直電場對帶隙的調控,在外電場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)處于三種極化狀態下,P(VDF-TrFE)-MoS2晶體管的Ids-Vds曲線,fresh指未極化狀態,P up,P down分別代表極化向上和極化向下狀態;(c),(d)P(VDF-TrFE)極化向上和極化向下時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場效應晶體管結構示意圖;(b)石墨烯- LiNbO3熱釋電探測器器件結構圖;(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性質,熱釋電材料的極化強度對溫度變化十分敏感,適合做熱探測器.Sassi等[87]將石墨烯放置在鋯鈦酸鉛(PZT)材料上,器件結構如圖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,調控石墨烯的電導率,制成了一個熱探測器.Hsieh等[88]通過將石墨烯轉移到LiNbO3晶體上并沉積頂柵制成了石墨烯中紅外探測器,器件結構如圖24(b),紅外輻射引起的溫度變化會使得LiNbO3產生熱釋電電荷積累在電容C3上,然后電容器C2 (C3 ＞ C2)上會產生一個電壓Q/C2(見圖24(c)),由于這個放大設計,器件獲得了很大的電阻溫度系數900%/K.

4.3 二維材料范德瓦耳斯結

近十幾年來,新型二維材料制備高性能探測器的研究引起了非常多的關注.二維材料的最大優勢就是超薄和具有原子級平整的理想的二維界面,這為設計異質結器件結構提供了可能性.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合,都可以用機械剝離的方法獲得薄層樣品.同時制作異質結可以不受傳統異質結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域,異質結的制作可以免受材料、晶格常數和堆疊順序的限制,具有更多選擇和更多的組合,從而實現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結是實現高靈敏、室溫紅外光探測最具有競爭力的器件結構.

高遷移率石墨烯可以作為寬波段光吸收、快速響應的器件通道材料.但石墨烯器件存在暗電流較大的問題,于是通過異質結內建電場可以有效抑制暗電流,且內建電場能有效分離光生載流子,從而獲得高靈敏室溫紅外探測器.2012年,荷蘭科學家將石墨烯與MoS2做成異質結,成功制備了具有高性能、多功能的光存儲器件,隨后又利用該方法制備了超高光增益～108的光電探測器件[91,92].2014年,美國Liu等[93]制備graphene/Ta2O5/graphene隧道結紅外探測器,如圖25(a)所示.此器件能夠有效降低暗電流,同時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率.圖25(b)為五種功率下紅外響應隨背柵電壓的變化曲線,入射光波長3.2 μm,可以看到此器件能夠實現室溫下中波紅外的響應.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,其探測波段能夠從紫外到中長波紅外.美國耶魯大學Chen等[94]利用絕緣氮化硼最為原子級平整的襯底材料,制作h-BN/b-P/h-BN異質結如圖25(c)所示,可以有效屏蔽襯底中的部分散射,獲得高遷移率.另外可以通過垂直電場調控材料帶隙,使得探測波段擴展到7.7 μm,如圖25(d)所示.Han和Yang等采用石墨烯與有機物制備了異質結,這種探測器有非常寬的光譜響應(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材料異質結紅外探測器,室溫下的光測到了長波紅外的響應[95-97].

圖25 (a)Graphene/Ta2O5/graphene隧道結紅外探測器結構示意圖;(b)多種功率下紅外響應曲線,入射光波長3.2 μm;(c)h-BN/b-P/h-BN垂直異質結的紅外探測器;(d)h-BN/b-P/h-BN垂直異質結器件7.7 μm紅外光電響應[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異質結光電探測器的結構示意圖;(b)p-g-n異質結光電探測器的光電響應;(c)黑砷磷b-As0.83P0.17樣品的光學吸收譜,插圖為黑砷磷合金b-AsP/MoS2異質結器件結構示意圖;(d)b-AsP/MoS2異質結光電探測器在中波紅外的光電響應[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結中實現高靈敏光探測器,如圖26(a)所示,其比探測率在可見波段達到 1015cm·Hz1/2·W—1,探測波段從400 nm擴展到2.4 μm,如圖26(b)所示.黑砷磷的光吸收譜如圖26(c)所示,光學吸收邊～1250 cm—1,對應著 8.3 μm.圖 26(c)的插圖為 b-AsP/MoS2異質結器件機構示意圖,將p-型的黑砷磷與n-型的MoS2制作成p-n結,其整理曲線如圖26(d)所示.對于b-AsP場效應的光電探測器,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場效應光電探測器能夠在室溫下探測到5 pW以下的長波紅外光信號.對于b-AsP/MoS2異質結器件,噪聲等效功率在2.36—4.3 μm都低于 0.24 pW·Hz—1/2,說明 b-AsP/MoS2異質結器件在室溫下波長到4.3 μm能夠探測到0.3 pW以下的中波紅外光.在零偏置電壓下,比探測率高達9.2×109cm·Hz1/2·W—1,同時在整個中波波段 3—5 μm 范圍 4.9×109cm·Hz1/2·W—1.對于 b-AsP場效應器件比探測率在2.36 —8.05 μm波段都大于 1.06×108cm·Hz1/2·W—1,在整個中波 2.36—8.05 μm波段都大于室溫商用輻射熱探測器的比探測率 (～ 108cm·Hz1/2·W—1).

圖27 BP與MoS2異質結紅外探測器[99] (a)1000 K黑體源輻射下光電流與暗電流;(b)探測率的對比;(c)響應時間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器雖然有較高的響應率和探測率,但絕大多數低維紅外探測器的性能是由光功率較大的激光測試出來的,而根據紅外探測率探測標準,需要通過黑體測得信號才能得到黑體探測率,這也是做低維材料紅外探測器較難突破的一個難點.但是,最近美國加利福尼亞大學Bullock等[99]利用黑磷和MoS2范德瓦耳斯異質結制備了紅外探測器,采用1000 K黑體源,室溫條件下測到的黑體響應率達到了1.1×1010cm·Hz1/2·W—1,比大多數體材料甚至商用的 PbS 紅外探測器還要高,如圖27所示.這是二維材料紅外探測器的一項革命性成果,標志著低維材料紅外探測器邁向工業應用走出了關鍵一步.

5 傳統紅外探測器的新方向

5.1 雪崩紅外光電探測器

雪崩光電二極管(avalanche photodiode,APD)擁有高帶寬、高增益的特點,在弱信號探測以及需要高速度、高靈敏度和高量子效率的長距探測方面有非常大的優勢,并且雪崩光電探測器在航空航天、通信,以及生物等領域已經取得了大量的應用[100-104].雪崩光電二極管可以利用“雪崩”效應來探測極弱信號,如圖28所示,它的工作原理是利用p-n結在較大反偏電壓時,光子入射至結區使電子從價帶躍遷到導帶,在電場的作用下電子碰撞原子形成電子-空穴對,新產生的電子-空穴對獲取動能,產生額外的電子-空穴對并持續發生.當外加電場低于載流子碰撞離化閾值時,低能量載流子會與雜質、聲子等發生相互作用而發生弛豫,不會發生雪崩過程;只有當外加電場大于載流子碰撞離化閾值時,載流子才能發生雪崩效應;當外加電場太大,會使器件的雪崩效應更加不可控制,造成過剩噪聲因子較大,使器件無法正常工作,因此需要有精確的器件設計,來保證低過剩噪聲因子、高增益雪崩光電探測器的制備[105-107].本節介紹在短波紅外、中波紅外及長波紅外波段實現雪崩光電探測器,分別為空穴注入型InGaAs/InP APD、電子空穴同時雪崩的InSe/BP異質結APD和電子注入型的HgCdTe APD.

圖28 傳統光伏型紅外探測器 (a)和雪崩光電探測器(b)工作時的能帶結構圖Fig.28.The tunneling effect (a)and avalanche effect (b)in p-n junction under large reverse bias.

InGaAs是直接帶隙半導體材料,它的離化系數比非常大,是較為合適的空穴注入型雪崩光電探測器材料.并且In0.53Ga0.47As能帶寬度為0.73 eV,晶格常數與InP襯底匹配,InGaAs已成為目前近紅外波段性能最優的紅外探測器材料.InGaAs/InP APD具有高靈敏度、高探測率及能高頻成像的特點,它在蓋革模式的工作條件下可實現單光子探測,成為量子保密通信領域的核心探測元件.但是目前InGaAs/InP APD存在暗計數較大、后脈沖和噪聲等問題,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題是提高器件性能的關鍵.中國科學院上海技術物理研究所設計了新型MIM微結構耦合APD器件,如圖29所示.他們對集成MIM結構的APD進行了一系列相關測試,發現暗電流水平降低了1/48,而光電流水平與未耦合APD器件相當,大大地提高了器件性能[108-110].

圖29 InGaAs/InP APD的MIM結構示意圖[108—110] (a)偏振選擇型結構示意圖;(b)無偏振選擇型結構示意圖;(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)傳統的雪崩光電探測器載流子碰撞過程;(d)彈道雪崩效應示意圖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 離化過程能帶結構示意圖 (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層數可控的帶隙寬度,因此量子效率相對較高.黑磷的電子空穴離化系數比為1,根據雪崩倍增理論[107],用黑磷制備APD器件可能會導致過剩噪聲因子比較大.但最近南京大學Gao等[111]通過制備InSe/BP范德瓦耳斯異質結,發現在相對較小的反偏電壓下,器件就會發生雪崩.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”,并解釋到,黑磷作為倍增層的厚度只有10 nm,而這短至10 nm的倍增區將小于載流子的自由程,即電子和空穴在電場作用下通過倍增區時不會與聲子或者其他雜質等發生碰撞,會經過“彈道輸運”到達倍增區邊界.到達倍增區材料邊界后,載流子與晶格發生碰撞離化產生新的電子空穴對,從而產生更多的載流子發生雪崩.由于載流子在輸運過程中是彈道輸運,所以器件噪聲非常低.并且此器件可響應到中波紅外,增益可達到104,這種新型的電子空穴同時發生倍增的雪崩光電探測器將對雪崩光電二極管起到重要的啟發作用.

Hg1—xCdxTe具有高吸收系數、載流子擴散長度長、量子效率高、工作波長可調、長載流子壽命等優點,尤為可貴的是HgCdTe中電子、空穴離化系數差異可以很大,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比k與HgCdTe組分x之間的關系.研究發現當組分x在0.6附近時,HgCdTe非常適合制備空穴注入型雪崩光電探測器,此時發生雪崩時電子價帶激發致導帶所需能量與空穴自旋軌道劈裂能量相同,如圖31(a)所示;當組分x小于0.5時,HgCdTe非常適合制備電子注入型雪崩光電探測器,而這個組分x對應的探測波段正是中波紅外和長波紅外兩個窗口,此時電子的碰撞離化過程如圖31(b)所示.根據能量與動量守恒,發生碰撞離化的初始載流子需要有足夠大的能量,對應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量的交換.

HgCdTe APD是由美國DRS公司的Beck等[113,114]首次制備成功的,器件具有高達1000的雪崩增益和低至～1的過剩噪聲因子,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陣列規模的HgCdTe APD焦平面探測器,器件如圖32所示.他們也已經成功制備了長波HgCdTe APD器件(截止波長 ～ 9.7 μm),在77 K的工作溫度下,增益超過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實時成像截圖[118]Fig.33.The 3D real time imaging print screen of HgCdTe APD fabricated in Sofradir[118].

法國Sofradir公司Rothman等[117-119]制備了增益超過10000的單元器件,并研制了320×256的HgCdTe APD焦平面探測器,實現了主/被動雙模和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,并進行了雪崩模式下器件的被動熱成像,3D雷達成像如圖33所示.

國內也針對中長波HgCdTe APD進行了一系列研究.中國科學院上海技術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局域場的操控機理方面也取得了一些成果.胡偉達課題組[120,121]研究了電子注入型p-i-n結構HgCdTe APD器件結構特征以及缺陷濃度對暗電流的影響,結果表明缺陷輔助隧穿電流和局域場誘導的帶間隧穿電流是HgCdTe APD暗電流及噪聲的主要原因;并且針對離子注入和In原位摻雜等工藝對提高器件性能提出了改進方法,如圖34所示.昆明物理研究所也通過液相外延方法制備了增益超過1000的單元器件,并且具有與國際上報道相當的性能.

圖34 平面結(a)和臺面結(b)碲鎘汞雪崩光電探測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 熱載流子紅外探測器器件結構和能帶示意圖[122]Fig.35.Structure and band diagram of hot carriers infrared photodetectors[122].

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

5.2 熱載流子紅外探測器

熱載流子是指在電場或光場的作用下獲取較大能量的電子或空穴,其平均動能高于晶格及載流子在零外場作用下的平均動能.最近,Lao等[122,123]提出了一種利用熱載流子進行紅外探測的新概念探測器,其探測波長可以達到50 μm之上,突破了半導體探測器的探測波長受半導體禁帶寬度的限制.

這種制備的熱載流子紅外探測器結構如圖35所示,器件襯底為GaAs,另外利用了三層p型重摻(p=1×1019cm—3)GaAs分別作為注入區、吸收區和收集區,其異質結構利用了AlGaAs材料,夾于GaAs層中分別用作階梯勢壘和恒定勢壘.根據能帶理論,GaAs與Al0.57Ga0.43As價帶帶偏為0.32 eV,對應波長僅為3.9 μm,即使通過摻雜或其他方法調控此異質結價帶帶偏,也不會實現對甚長波 (λ＞ 15 μm)的探測.然而,他們對此結構器件進行了光響應測試,發現在甚長波紅外波段仍有響應,如圖36所示,可以看到器件在5.3 K時—0.06 V偏壓下,響應截至波長能夠達到55 μm,這探測截至波長遠遠已經超出了半導體禁帶寬度限制.

為了澄清其探測器甚長波響應的來源,他們進行了傅里葉變換紅外光譜測試并計算了光譜權重,如圖37所示,可以看到器件在—0.1 V偏壓附近對不同波段的響應有著最大值,其甚長波響應與偏壓沒有單調關系,這說明了器件甚長波響應并不是輻射熱效應;另外,由于吸收層GaAs是重摻雜,雜質帶已經與價帶簡并,因此甚長波響應也不是載流子從雜質帶與價帶間躍遷導致的.

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

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

在進行探測器光響應分析時,他們首先利用傅里葉紅外光譜儀輻射或外部激發光作為泵浦光,這樣就會產生由光照激發的熱載流子,對應的泵浦光電流就會產生變化.經過微分泵浦光電流和微分光譜權重的對比分析,他們認為正是由于泵浦光激發產生的熱載流子產生了甚長波紅外響應.基于escape-cone模型[124],他們對光譜響應進行了模擬,結果證明了此探測器的甚長波紅外響應就是源于熱載流子.并且,他們通過對不同波長泵浦光下探測器紅外響應測試,實現了對熱載流子能量的操控,結果如圖38所示,可以看到當濾波器波長為4.5 μm以上時,甚長波響應幾乎消失了,而又通過外部光源進行激發,探測器又重新出現了甚長波響應.因此通過不同波長的泵浦光激發,可以實現對熱載流子紅外探測器探測波長的調控.

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

這種利用操控熱載流子進行甚長波探測的方法為傳統材料制備甚長波紅外探測器打開了新的一扇門.2018年,美國佐治亞州立大學運用此方法實現了將半導體探測器探測波長延長至68 μm[125],雖然此類器件工作溫度比較低,但可以預見熱載流子紅外探測器在甚長波、太赫茲波段有非常重要的應用前景,操控熱載流子的方法也將對光電探測器有很強的啟發性.

5.3 勢壘阻擋型紅外探測器

HgCdTe,InSb及Ⅱ類超晶格材料作為紅外探測器雖有非常大的優勢,但由于它們能帶較窄,相應的暗電流過大,成為限制其性能的重要原因.勢壘阻擋型器件(XBp及XBn)的提出,成為解決器件暗電流過大的一種有效方法.勢壘阻擋型器件主要工作原理是通過合理的結構設計使異質結材料的能帶差主要落在導帶或者價帶上,從而阻止載流子的導電而降低暗電流.勢壘阻擋型器件通常分為吸收層、勢壘層和電極層,本節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器(nBn)研究進展,其能帶結構如圖39所示.

圖39 nBn型器件和能帶結構示意圖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族器件時于2006年提出[126].這種結構完全放棄了p型摻雜,僅通過N型摻雜和能帶工程就能獲得與PN結相似的特性.通過在電極層與吸收層之間嵌入一個寬禁帶隔離層B層,其厚度僅在幾十納米量級.通過選擇合適的勢壘隔離層材料,可以使其與電極層和吸收層之間的異質結勢壘幾乎完全落在導帶上,從而利用這一導帶勢壘來阻止電極層中多數載流子的導電,但不會阻擋吸收區中的光生電子;同時通過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帶勢壘以形成光電流.

圖40 普通PN結二極管器件與XBn器件的暗電流與溫度相關性[127]Fig.40.Schematic Arrhenius plot of the dark current in a standard diode andXBn device[127].

受半導體材料質量的影響,其雜質和缺陷會在耗盡區的帶隙中形成一定的能級,這些雜質能級形成的復合中心可以有效促進電子空穴對的產生和復合,由此帶來的Shockley-Read-Hall (SRH)復合電流是在液氮溫度下工作的中長波紅外器件G-R電流的主導因素.而對于nBn器件通過控制摻雜可以使耗盡區盡可能從窄禁帶的吸收層進入寬禁帶的勢壘層,而在寬帶隙的勢壘層中幾乎不產生SRH電流從而顯著降低G-R電流.紅外探測器的暗電流機制主要是G-R電流與擴散電流競爭的結果,在低溫下主要是G-R電流而在高溫下則是擴散電流占主導.普通二極管的暗電流與溫度的相關性如圖40所示[127],其中T0被定義為擴散和G-R電流相等的“交叉”溫度,虛線則表示幾乎沒有G-R電流的理想勢壘阻擋型器件的暗電流特性.圖示結果表明在工作溫度低于T0下,勢壘阻擋型器件相比于傳統PN結光電二極管具有更優秀的暗電流特性.此外,由于G-R電流相比擴散電流顯著地受到偏壓的影響,因此具有更好的探測器陣列均勻性.除對上述體暗電流的抑制效果以外,nBn器件由于其寬帶隙勢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鈍化工藝的要求.此外,若nBn的結構設計采取勢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探測器(a)器件結構示意圖和(b)能帶結構示意圖[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結構InSb探測器 (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;(d)不同溫度和結構下的暗電流特性[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].

法國蒙彼利埃大學和索芙拉蒂公司于2014年首次報道了基于nBn結構的InSb紅外探測器實驗研究進展[128].器件結構如圖41所示,通過分子束外延(MBE)在Te摻雜n型襯底(100)InSb上生長,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.通過在阻擋層中增加Al組分漸變的設計,可以在保持足夠高導帶勢壘以阻擋電子導電的同時維持較低的價帶勢壘以允許光生空穴少子流動,并控制三元合金InAlSb勢壘層和InSb襯底之間的晶格失配導致的應變.InSb被生長在富銻的體系中,整個結構通過配有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.其中銦和鋁的生長速率是0.5單層/s,生長溫度400 ℃,銻和銦的生長速率比(束流比)為4.器件在 135 K及—50 mV下暗電流密度為 2×10—5A/cm2.為了進一步提升工作溫度并評估器件性能,2015年Perez等[129]報道了改進后的中波紅外InSb nBn探測器結果,其中蓋帽層的摻雜提升到了2×1016cm—3,勢壘層依舊采取組分漸變設計,Al組分由0.2漸變至0.35,該器件在77 K下截止波長為 5.4 μm,—50 mV偏壓下暗電流 1×10—9A/cm2(圖42);在150 K下截止波長達到了5.85 μm,—50 mV 下暗電流 2×10—4A/cm2.與同樣生長條件下的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的工作溫度下達到同等暗電流水平.

Rodriguez等于2007年將nBn概念應用在Ⅱ類超晶格探測器上[130],美國西北大學[131-133]、新墨西哥大學[130,134-139]、以色列SCD公司[140-143]等在此結構設計上進行了大量的研究工作.2017年,美國西北大學的Haddadi等[131]報道了在GaSb襯底上制備的基于InAs/AlSb/GaSb Ⅱ類超晶格的短波紅外nBn光電探測器,其中寬帶隙電子勢壘層采用AlAs0.10Sb0.90/GaSb H-結構超晶格,如圖43(a)所示.整個器件生長在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(1×1014cm—3),300 nm厚的超晶格勢壘層和200 nm厚的n型SWIR接觸(1×1018cm—3).其中eSWIR區和n-接觸區分別是8/1/5/1單層周期性生長的InAs/GaSb/AlSb/GaSb及5/1/5/1單層周期性生長InAs/GaSb/AlSb/GaSb,n型區采用硅摻雜.在1.9 μm下,室溫(300 K)時測得該器件峰值響應率達到了0.65 A/W.在工作溫度150 K施加400 mV偏壓下,其截止波長約為2.5 μm,量子效率達到了41% (無抗反射涂層),暗電流密度為 9.5×10—9A/cm2,探 測 率 為 1.12×1013cm·Hz1/2·W—1.在300 K時,其截止波長約為3.9 μm,暗電流密度為8×10—3A/cm2,探測率為 1.51×1010cm·Hz1/2·W—1.

圖43 短波紅外InAs/GaSb/AlSb/GaSb Ⅱ類超晶格nBn探測器 (a)結構示意圖;(b)量子效率;(c)暗電流特性;(d)探測率[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系列長波探測器 (a)探測器組件;(b)77 K下成像結果[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類超晶格結構于2013年開始研制Pelican-D系列中波紅外焦平面探測器,在2015年又推出了長波Pelican-D系列探測器,并將其焦平面陣列互連到中波Pelican-D讀出電路上[141-143].其陣列規模為640×512,像元中心距(像元間距)15 μm,在77 K下截止波長9.3 μm.作為SCD推出的第一款長波紅外XBp焦平面探測器,Pelican-D LW的量子效率達到了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系列相機及77 K下拍出的照片.

nBn結構由于優秀的暗電流抑制效果及在高溫器件上的發展前景,因此在碲鎘汞器件上具有巨大的應用潛力.2011年,美國密歇根大學的Itsuno等[144]首次將nBn概念應用到碲鎘汞紅外器件上,并對碲鎘汞nBn器件進行了理論模擬計算.2012年,Itsuno等[145]在此基礎上又提出了改進的nBvn結構器件以抑制俄歇復合從而提高工作溫度.與普通nBn結構相比,nBvn結構在吸收層外增加了一層寬帶隙重摻n型區構成了對空穴的“排斥結”.吸收層中的空穴在偏壓下將向蓋帽層與勢壘層構成的“抽取結”移動并越過價帶勢壘進入蓋帽層以形成光電流,隨著偏壓的升高這一對空穴的抽取效果將遠遠高于“排斥結”向吸收層補充空穴的速度,因此吸收層中的電子濃度將低至熱平衡狀態以下;類似地,吸收層中的電子將向排斥結移動,但勢壘層價帶勢壘的存在同樣阻止了吸收層中電子的補充.這將顯著降低吸收層中載流子的濃度從而抑制俄歇復合.圖45顯示的結果表明與中/長波nBvn器件的暗電流和探測率相比,nBn與雙層組分異質結(DLPH)器件在這兩方面均有顯著的改善.

勢壘阻擋型紅外探測器可以有效降低暗電流,提高器件的工作溫度,可以降低探測系統功耗節約成本,但異質結構材料的生長對于高性能紅外探測器的制備將會是非常大的挑戰.

5.4 雙色/多色紅外探測器

雙色/多色探測是新一代紅外探測系統重要組成部分,當一個紅外探測系統可以同時在兩個甚至更多波段獲取目標的特征信息,就能避免更多噪聲對成像的干擾,從而提升對目標的探測效果,因此,雙色/多色探測可以廣泛應用于軍事、氣象和資源遙感等領域[14,146,147].

圖45 碲鎘汞nBvn,nBn及DLPH器件的(a)中波暗電流、(b)長波暗電流、(c)中波探測率和(d)長波探測率[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年實現了雙色紅外探測器的制備,美國、英國和法國碲鎘汞多色紅外探測器也于20世紀70年代在軍事上實現了應用[148].美國Rockwell公司采用As注入雙層組分異質結,實現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構的層數,而且不用再進行原位摻雜,成結工藝與第二代碲鎘汞紅外探測器相同[149].法國Sofradir公司也根據這種方法實現了雙色探測器的制備[150].至于多色碲鎘汞紅外焦平面的制備,需要采用環孔工藝和多層外延,工藝更加復雜,光敏元的占空比和量子效率限制了其大規模的應用發展.中國科學院上海技術物理研究所Hu等[151]對碲鎘汞雙色紅外探測器的研究及制備方面取得了較大的進展.他們利用分子束外延的方法,在GaAs襯底上實現了128×128 長波/中波紅外焦平面探測器的制備,雙波段截止波長分別為4.8 μm和9.7 μm,峰值比探測率分別為3.2×1011cm·Hz1∕2·W—1和 4.3×1010cm·Hz1∕2·W—1,并且串擾只有1.25%,器件的光電特性和成像結果如圖46所示.

成熟的分子束外延生長工藝使得量子阱紅外探測器和超晶格紅外探測器更容易實現雙色/多色紅外探測.量子阱多色紅外探測器的原理是采用不同基態-連續態能量的多量子阱串聯,一般采用GaAs/AlGaAs等材料[152,153].美國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器,其長波模式下室溫背景限工作溫度約在70 K,甚長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器多采用InAs/GaSb材料,通過生長不同微帶的Ⅱ類超晶格,實現雙色或者多色探測[154-156].德國弗勞恩霍夫研究所和美國西北大學等單位均已制備中波/長波雙色紅外焦平面探測器,它們的工作溫度一般在78 K,中波探測率能夠達到室溫背景限.

圖46 128×128長波/中波雙色碲鎘汞紅外焦平面探測器 (a)暗電流特性;(b)中波/長波光譜響應曲線;(c)中波長波成像效果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量子點雙色紅外探測器結構;(b)雙色探測率隨溫度的變化;(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,美國芝加哥大學研制了一種膠體量子點堆疊的短波/中波紅外探測器,他們采用了n-pn結構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,如圖47所示[157].通過調節HgTe量子點的大小,可以使量子點在短波和中波有較高的吸收系數.這種HgTe量子點短波探測率在室溫可接近 1×1011cm·Hz1∕2·W—1,低溫時探測率沒有變化,中波探測率在85 K達到了 1×1010cm·Hz1∕2·W—1,因此在 85 K 下,這種量子點紅外探測器可以實現短波/中波紅外雙色探測.這種低成本雙色紅外探測器在民用上有比較大的應用前景.

6 總 結

日益增長的應用需求促使著紅外探測系統技術向著智能化、小型化、低功耗和低成本等方向發展,紅外探測器作為紅外探測系統的核心元部件其性能將起到決定作用.可以預見,以碲鎘汞、銻化銦、銦鎵砷、超晶格和量子阱為代表的傳統紅外探測器仍將主導整個紅外探測領域,以此形成的高靈敏性、高分辨率、甚長波探測和多色探測等將得到進一步發展;微結構耦合的傳統紅外探測器將有望顛覆傳統強度探測,向多維度、數據立方探測方向發展,形成一體化、芯片化光學成像系統,降低光學系統的復雜度和成本;基于能帶工程調控的量子級聯探測、帶間級聯探測器將在高工作溫度、低暗電流方面有望取得突破性進展;石墨烯、黑磷、納米線及其新型異質結等低維材料紅外探測器將在低成本、室溫工作、寬光譜及柔性探測器方面取得突破.這一系列具有變革性的新型紅外探測器的提出將引領新一代紅外探測技術的發展.