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红外探测器正瞄准长波长应用

2007-11-20 14:10
kumsing
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作者:Omer Gokalp Memis,Hooman Mohseni

得益于来自人眼杆状细胞方面的灵感,聚焦载流子增强传感器实现了将大面积高效吸收层与纳米探测机制相结合。

红外光谱通常能提供超出人眼视觉范围的观察能力。红外探测器已在许多应用中发挥着重要作用,特别是在从不同角度观察物体的较不明显特征方面,红外探测器已经成为不可或缺的工具。人们对红外探测技术的研究从未止步,研究人员始终在尝试使用更多的材料来探索不同的红外探测方法[1]。红外探测技术方面取得的稳步进展不断要求更好、更灵敏的探测器来满足应用需求,甚至需要终极的光子传感器——单光子探测器。

单光子探测器(SPD)是一种超低噪声器件,增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行探测和计数,在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用中,单光子探测器可以一展身手。利用类似于人眼杆状细胞的光探测机理,美国西北大学和伊利诺斯州大学的研究小组已经开发出了红外单光子聚焦载流子增强传感器(FOCUS)。该装置有望在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面取得广泛应用。

红外探测的挑战
红外探测器面临的最大挑战在于创建一个具有足够高信噪比的装置。为做到这一点,探测器应当具有以下特点:能够有效地吸收某一特定波长的光、噪声能量应当低于信号能量、能够与具有类似低噪声特性的读出电子元件相耦合。对于红外单光子探测器来讲,这些要求更具挑战性,因为单光子的信号能量小于1阿焦(1阿焦=10-18焦),将波长增加到长波红外(LWIR)以及远红外(FIR)波段后,单个光子具有的能量会更低,这会引发更多的问题。

此外,如果要在任何波段实现有效吸收,必须要求吸收层(垂直于光传输方向)的宽度与所吸收的特定波长相当。因此,在长波红外和远红外波段,器件的尺寸在几微米到几十微米的尺度内。然而,要想将电子噪声降到低于光子能量,器件的尺寸要降到纳米尺度。由于单光子能量极低并且波长较长,这使得低噪声、高效率的长波红外单光子探测器的制作非常困难。

源自人眼杆状细胞的灵感
随着人们对单光子红外探测器的不懈研究,目前已经出现了专门的p-i-n探测器、雪崩光电探测器(APD)、单电子晶体管探测器以及超导(边缘转换)探测器。在这些探测器中,雪崩光电探测器是无需低温冷却的固态单光子探测器的首选。但是,兼容红外的雪崩光电探测器面临许多问题,包括由雪崩增益统计性质导致的噪声增长、随机触发的后脉冲、以及在所需的强电场下隧穿造成的暗电流的增长[2]。因此,雪崩光电探测器的应用仅限于一些同步系统,并且这些系统具有特别的猝熄电路,允许在极短的时间内施加高击穿电压。


 
图1. 该图为聚焦载流子增强探测器(FOCUS)装置的扫描电子显微成像以及横截面图,显示了极为灵敏的纳米注入区以及大面积的厚吸收体积。


为了克服固态单光子探测器所面临的问题,研究小组从本质上对现有的单光子探测器进行了研究。由于具备一种称为杆状细胞的特定光敏细胞,使人眼具有探测单光子的能力[3]。杆状细胞对弱光下的灰度视觉十分敏感,这主要是因为它们富含一种叫做视网膜紫质的特殊分子[4]。杆状细胞的结构以及视网膜紫质在细胞中的排列能够提供庞大的吸收体积,进而能够有效地俘获光子。此外,视网膜紫质分子与其他一系列催化剂和信使分子一起,在信号被神经系统的噪声降质之前的放大过程中,发挥着重要作用。研究人员试图复制这种人类视觉系统的工作原理,来实现有效的单光子探测。

FOCUS系统开发
尽管纳米尺度特征可以提供诸如超低电容以及量子效应等有吸引力的特性,但它们的填充因子较低,从而妨碍了其对光进行有效的吸收。FOCUS传感器除了具有纳米尺度的传感特征外,还利用较大的吸收体积来模仿杆状细胞的结构进行工作(见图1)。

FOCUS的工作原理是在电子领域复制人眼杆状细胞的工作机理:当施加适当偏压时,FOCUS纳米注入区内的电子在内部电场的作用下,将向大面积的吸收区运动。然而,在纳米注入区的末端会形成势垒阻碍电子的这种运动,并且会挡住大多数电子。当一个光子入射到大面积的厚吸收区时,它将以极高概率产生一个电子-空穴对,空穴在内建电场的作用下会立即被吸引到纳米注入区。当光激发的空穴到达纳米注入区时,将导致势垒降低。由于纳米势垒的电容极低,所以它对总电荷的任何变化都极为敏感,即便只有一个额外的空穴,电压也会显著降低。势垒的降低将允许更多的电子到达吸收区,并且随着电势的改变,注入电子的数量会呈指数增长。因此,如果具有适当的内部增益机理和能带结构,FOCUS在俘获到一个单一光子的情况下,就能使注入电流发生显著改变。

器件制作与实验结果
研究人员采用三维非线性有限元方法(FEM)进行数值模拟,来设计层结构和FOCUS器件架构,然后,采用金属有机化学气相沉积的方法生长外延层,利用电子束刻蚀的方法构造晶片的纳米尺度特征。电子束蒸发器用于将金属沉积在这些纳米特征上,金属膜同时还在接下来的刻蚀步骤中起到硬质掩膜的作用:首先对特征进行反应离子刻蚀,然后进行湿法刻蚀,最终形成纳米注入区。纳米注入区周围的空白区充满钝化以及平化药剂(聚酰亚胺或氧化物),以改善表面质量和结构完整性。最后的镀金属步骤用于制作电子集成所需的金属电极。 
 
图2. 电流-电压特性曲线显示了直径为5祄的圆形FOCUS探测器(在室温下工作,未冷却)在不同光照条件下的工作性能。


研究人员制作了直径从100nm到5祄的圆形FOCUS器件并进行了测试。这些器件的目标应用主要在近红外波段。在一套定制的准直系统中,研究人员对暗电流、光电流、光增益、空间灵敏度、带宽、瞬态响应以及额外噪声等参数进行了测量。被测FOCUS器件均在低于2V的偏压下工作。

在暗电流以及光电流测试中,研究人员使用准直的连续波激光器作为光源。测量结果表明:FOCUS器件的光学响应得到了显著提高,同时暗电流的值与目前最先进的雪崩光电探测器相近(见图2)。在低偏压条件下,小型FOCUS器件可以获得超过4000的稳定增益,这比现有的其他单光子探测器提高了几个数量级。此外,FOCUS探测器所必需的偏置电压要比雪崩光电探测器所需的偏置电压(可以高达50V)低很多。对于空间灵敏度的测量,研究人员使用了一套自动装置,测量结果显示:FOCUS探测器能够收集到距纳米注入区6~7祄处的载流子,这一结果也进一步证实了研究人员之前的理论模拟预言。

研究人员在不同的加工阶段对FOCUS探测器的带宽进行了测试,发现带宽对表面质量具有明显的依赖关系,这与具有极高表体比的纳米器件的预期相符。非钝化器件的带宽可达到400kHz,而某些特殊钝化器件的带宽可超过300MHz。然而,带宽的增加通常伴随着增益的下降,这意味着增益带宽积为一常数,该值超过3GHz。雪崩光电探测器由于载流子在深势阱中寿命较长,以及相关的后脉冲会导致带宽受限;与之相比,FOCUS探测器并没有显示出这种不期望的副作用。

由于不同形式的钝化之间存在差别,因此可以在增益和带宽之间进行权衡。与带宽结果相关联,研究人员还使用超快飞秒脉冲激光器以及光学衰减器进行了瞬态响应测量。取平均之后,便能区分出对应于五光子光电效应的电脉冲。

研究人员使用定制的非线性FEM模拟程序在近红外波段对FOCUS器件进行设计以及数值模拟。我们相信:随着人们对纳米尺度效应的进一步理解、改进相应的制作步骤,以及将加工过程拓展到长波红外和远红外波段,FOCUS器件将得到进一步改善。

参考文献:
1. A. Rogalski, Progress in Quant. Electronics 27(2-3) 59 (2003).
2. A. Lacaita et al., Applied Optics 35(16) 2986 (1996).
3. F. Rieke and D.A. Baylor, Rev. of Modern Physics 70(3) 1027 (1998).
4. S. Hecht et al., J. Gen. Physiol. 25(6) 819 (1942).

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