基于量子阱材料的光耦合微結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

葉新輝

(上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器(Quantum Well Infrared Detector，QWIP)是長波紅外探測領(lǐng)域的重要材料分支，在夜視、導(dǎo)彈追蹤、醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)缺陷成像、環(huán)境遙感、行星探索引文等[1-2]領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值。

圖1為量子阱能帶躍遷原理示意圖，每一周期的量子阱由形成勢阱和勢壘的兩種晶格常數(shù)相近材料交替排列形成，兩者接觸面上能帶發(fā)生突變，電子和空穴被限制在低勢能的量子阱中，阱寬足夠小時，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化，而勢壘層足夠厚時，相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)耦合很小。在紅外光的照射下，阱中電子發(fā)生躍遷，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。在材料兩端施加偏壓后，光生載流子就在電壓引起的內(nèi)建電場作用下漂移、擴散，運動到半導(dǎo)體的兩端，從而被電路收集到成為為光電流。通過改變量子阱寬度和勢壘高度對帶隙寬度進(jìn)行人工剪裁，從而調(diào)節(jié)紅外吸收波段。

圖1 量子阱能帶躍遷原理圖

自從Goossen等[3]將二維光柵引入后，關(guān)于QWIP的各種光耦合結(jié)構(gòu)便獲得廣泛關(guān)注。作為光子型探測器，量子效率是衡量QWIP器件光電轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)，它是指特定波長下單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，反應(yīng)了器件的光電流水平。在長波紅外探測材料中，碲鎘汞(HgCdTe)應(yīng)用最為廣泛，但是，Hg-Te的鍵合力太弱，材料和器件制備技術(shù)一直難以精確控制：材料有毒性有可能造成健康問題；汞蒸發(fā)為蒸氣所需的高壓存在安全隱患；材料重復(fù)生長的某些成分不均勻性等問題引起碲鎘汞原子相互作用的相變。與占主導(dǎo)地位HgCdTe材料相比，量子阱材料具有工藝成熟、均勻性和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點[4]，而且具有電子遷移率高的特點，是制備成大規(guī)模紅外焦平面陣列器件的理想材料。然而，受子帶間躍遷選擇定則的限制[5-6]，N型量子阱只能吸收電場分量垂直于量子阱層的電磁波，不能吸收垂直入射光，為克服這一缺點，通常需要采用光柵等結(jié)構(gòu)耦合入射光。目前，商用QWIP也僅有10%的量子效率[7]，而HgCdTe的量子效率在70%以上，鍍增透膜后更是高達(dá)90%，QWIP比HgCdTe小1個量級。增強光吸收、進(jìn)而提高量子效率是QWIP發(fā)展的主要方向之一。因此，近年來，研究人員一直致力于設(shè)計新的結(jié)構(gòu)增強對紅外光的吸收，并期望通過微電子工藝實現(xiàn)制備和應(yīng)用。

1 常規(guī)光耦合方式

自量子阱材料誕生伊始，人們就不斷提出光耦合的解決方案，圖2總結(jié)了一些常規(guī)的耦合方式：

圖2(a)為45°光波導(dǎo)耦合[8]，由Levine B F于1987年首次提出，光從器件邊緣打磨出的45°斜面垂直入射，實現(xiàn)Ez電場分量的增加來提高吸收，但這種方法只適用于制備時測試電學(xué)性能的單元器件，無法實現(xiàn)大規(guī)模焦平面陣列的制備。

圖2(b)為隨機反射耦合[9]，使用光刻技術(shù)將材料表面刻劃成粗糙的反射面，入射光線遇到隨機反射層發(fā)生全反射，光的反射角度發(fā)生改變，其中的部分紅外光產(chǎn)生Ez電場分量繼而被量子阱吸收。

圖2(c)波紋耦合[10]利用化學(xué)方法將量子阱刻蝕成V型槽，由于量子阱生長面幾乎平行于量子阱區(qū)的路徑有利于產(chǎn)生便于量子阱吸收的電場分量，器件量子效率獲得較大的提高。

圖2(d)光柵耦合[11-15]是量子阱器件比較成熟并且得到商業(yè)應(yīng)用的耦合方式，能夠更好地利用衍射效應(yīng)將光子局域在結(jié)構(gòu)中，提高光子與材料的相互作用，獲得更多轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮拥臋C會。

圖2 常規(guī)光耦合方式示意圖

2 基于超構(gòu)材料的新穎光耦合方式

傳統(tǒng)長波紅外探測器對光的吸收主要依賴材料自身的性質(zhì)，超構(gòu)材料(Metamaterial)是尺寸小于工作波長的結(jié)構(gòu)單元，與傳統(tǒng)材料不同，超構(gòu)材料的性能不僅由探測材料的物理性質(zhì)決定，受材料的幾何結(jié)構(gòu)及排列方式的影響也很大。

超構(gòu)材料在可見近紅外波段已經(jīng)得到廣泛研究，并取得良好效果，例如納米線結(jié)構(gòu)[16]，對于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展具有顯著的經(jīng)濟價值。得益于微納加工技術(shù)的發(fā)展，將人工微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到長波紅外波段，加工工藝結(jié)合理論指導(dǎo)，從而減少反射、增強光吸收是提高量子阱紅外探測器量子效率的重要途徑，實現(xiàn)超構(gòu)材料的制備并使其產(chǎn)生應(yīng)用價值具有顯著經(jīng)濟意義。下面總結(jié)了近年來出現(xiàn)的新穎光耦合結(jié)構(gòu)：

王晗等[17]制備了不受入射角影響的管狀量子阱(圖3(a))，用濕法腐蝕的方法將量子阱卷曲成微型管狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)紅外光進(jìn)入管內(nèi)后，受管壁的不斷反射，與量子阱相互作用的機會增加，而且不受光的入射方向的影響，使量子效率得到了提高，但該制備工藝下只包含一個周期的量子阱，削弱了對光的吸收和暗電流的抑制，不能發(fā)揮多量子阱的勢壘層在抑制暗電流上的優(yōu)勢。

唐偉偉等[18]提出全介質(zhì)耦合入射光(圖3(b))，降低了以往使用金屬作為耦合介質(zhì)時的光損失，經(jīng)過模擬計算，其峰值吸收效率有望超過80%；甄濤等[19]采用的金屬等離激元微腔結(jié)構(gòu)(圖3(c))，其光吸收在理論上可達(dá)82%。Daniele Palaferri等[20-21]制備了一種亞波長金屬諧振器結(jié)構(gòu)(圖3(d))，該結(jié)構(gòu)將電場壓縮進(jìn)亞波長微腔中，在光子收集面積不變的情況下減少了電學(xué)面積，而暗電流隨器件面積減少而降低，不足是吸收區(qū)厚度只有386 nm、總計只有5層量子阱，削弱了多量子阱對暗電流的抑制作用；Hideki T Miyazaki等[22]使用經(jīng)過優(yōu)化的折疊導(dǎo)線將單量子阱連接起來形成天線(圖3(e))，該結(jié)構(gòu)在78 K溫度下的外量子效率達(dá)到61%，響應(yīng)率達(dá)到3.3 A/W，在低溫下展現(xiàn)了優(yōu)異的探測能力，然而，由于吸收區(qū)只含一對勢阱和勢壘，溫度升高時，暗電流隨之急劇上升，信噪比迅速惡化。

圖3 新穎光耦合方式

可以看出，目前為止人們設(shè)計制備了金屬或介質(zhì)微腔等各種增強光吸收的耦合結(jié)構(gòu)，起到了明顯的局域光的作用，實現(xiàn)量子阱對紅外光的高效吸收；但同時由于結(jié)構(gòu)對耦合距離的限制，有源區(qū)厚度需要控制在較小的范圍內(nèi)，才能起到強耦合效果，極大地限制了量子阱/壘的周期數(shù)，難以對暗電流形成有效抑制，因此在增強吸收、提高量子效率的同時，如何降低器件的暗電流，是量子阱光電結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的突出難題。更為關(guān)鍵的是，上述方案都涉及微米甚至亞微米級的結(jié)構(gòu)制備，要形成超薄的微腔需要通過剝離、卷曲等難度極高的加工工藝，成品率低，因此，要推廣到大面陣焦平面制備并形成商用將面臨很大的挑戰(zhàn)。

3 結(jié) 語

對于QWIP器件不能吸收垂直入射光的物理缺陷，通過構(gòu)造各種陷光結(jié)構(gòu)是改善光吸收能力的主要手段，特別是基于超構(gòu)材料的原理性優(yōu)勢，人們開發(fā)了很多新穎的光耦合幾何結(jié)構(gòu)。經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)，其光吸收能力都得到不同程度的改善，并實現(xiàn)了響應(yīng)波段可調(diào)，但是也存在制備難度大的不足，對于實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，尤其滿足第三代焦平面器件對于面陣規(guī)模日益增大并且保證均勻性的要求一定距離。另外，目前的方案更多的是為了提高光吸收能力，對于量子阱由熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流還缺少有效的抑制辦法，有待更優(yōu)的光耦合結(jié)構(gòu)的引入。