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美国开发出非制冷“纳米线”中短波红外光电二极管

磷化铟衬底上的InAs和InAsSb纳米线可形成适用于焦平面阵列的室温SWIR或MWIR光电二极管。

从军事领域(根据导弹产生的热量定位导弹)、科学领域(遥感、光谱学)到环境领域(气体监测、穿透雾霾),包括焦平面阵列(FPA)在内的短波红外(SWIR)和中波红外(MWIR)传感器使许多重要的红外传感和成像应用成为可能。然而,现有的实用型SWIR和MWIR传感器都存在一个明显缺陷:需要制冷。这包括了基于锑化铟(InSb)、碲镉汞(MCT)和砷化铟/锑化镓(InAs/GaSb)以及Ⅱ类超晶格FPA传感器。对冷却系统的需求增加了器件的体积,特别是对微小尺寸的光电探测系统来说,这将显著增加成本和维护需求。

据麦姆斯咨询报道,加州大学洛杉矶分校(UCLA)和英国卡迪夫大学(Cardiff University)的研究人员采用一种新方法解决了这个问题。科学家们发明的室温非制冷SWIR和MWIR探测器由垂直生长于磷化铟(InP)衬底的InAs或InAsSb纳米线阵列组成,使纳米线与衬底的结合产生InAs-InP异质结。然后可覆盖一层氧化铝(Al2O3)来钝化该结构,从而降低纳米线表面的非辐射复合。

计算机模拟显示,与平面非制冷InAs光电二极管相比,非制冷InAs(Sb)-InP纳米线异质结光电二极管的等离子体模式共振峰值D*可在3.0μm波长时达到3.5×1010cm Hz1/2W-1,这比平面光电二极管高了近10倍。

研究人员基于之前开发的标准工艺制备出了纳米线光电探测器,使纳米线在适当波长范围内生长于为光电探测优化的图案上,然后用Al2O3钝化。接着去除纳米线尖端的钝化涂层。利用纳米线本身作为阴影掩膜,将金沉积在纳米线承载表面上,再在金上制作一系列纳米孔,就形成等离子体光栅(如下图)。这种光栅非常重要:其作用是通过等离子体共振来增强入射光与纳米线尖端的耦合。

示例中,SWIR器件的制造有效面积为200×200μm2。探测器表面包含1300nm间距、264nm直径和1650nm高度的纳米线。该器件的室温光谱响应峰值约在2.0和3.4μm,与等离子体共振相当。

为实现在纳米线阵列(如图a)上生长金光栅,纳米线本身(垂直生长)被用作阴影掩膜,以一定角度将金沉积到表面,会导致未沉积区域(暗区)。

未来基于纳米线的分离吸收倍增结构雪崩光电二极管(SAM-APD)将具有有刻面的纳米线,以帮助缓解晶格失配应变(如图b)。

图片来源:加州大学洛杉矶分校(UCLA)Dingkun Ren

后续研究

加州大学洛杉矶分校的研究人员Dingkun Ren表示,未来基于纳米线的红外探测器将包含光子晶体光栅。这提供一种更好的方法来调整器件的峰值波长。在目前的自组装等离子体结构中,等离子体峰值波长是通过改变纳米线间距(即纳米线到纳米线的距离)来调谐的。然而,控制不同纳米线间距阵列上的生长均匀性是非常困难的。在新型的光子晶体光栅结构中,将通过改变气孔间距(airhole)来设计峰值,这可以简单地通过光刻工艺进行控制。Ren说,“这是一种更强大的光学设计!”

该研究团队还在设计SAM-APD,这是基于纳米线和金属光子晶体光栅的MWIR APD。这些器件可以在线性模式下工作,并通过内部增益进一步提高信噪比(SNR)。由于没有可用的晶格匹配的大带隙材料来制备SAM-APD结构,因此在纳米线生长过程中,通过纳米线侧壁面弹性调节应变,可以实现具有大晶格失配的异质外延。

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