紅外輻射（760nm-30μm）作為電磁波的一種，蘊含著物體豐富的信息。紅外光電探測器在吸收物體的紅外輻射后，通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段將攜帶物體輻射特征的紅外信號可視化。其具有全天候觀測、抗干擾能力強、穿透煙塵霧霾能力強、高分辨能力的特點，在國防、天文、民用領(lǐng)域扮演著重要的角色，是當今信息化時代發(fā)展的核心驅(qū)動力之一，是信息領(lǐng)域戰(zhàn)略性高技術(shù)必爭的制高點。眾所周知，波長、強度、相位和偏振是構(gòu)成光的四大基本元素。其中，光的偏振維度可以豐富目標的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生動、更接近人眼接收到的圖像。因此偏振成像在目標-背景對比度增強、水下成像、惡劣天氣下探測、材料分類、表面重建等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在短波紅外領(lǐng)域，InGaAs/InP材料體系由于其帶隙優(yōu)勢，低暗電流，和室溫下的高可靠性已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，一些關(guān)于短波偏振探測技術(shù)的研究已經(jīng)在平面型InGaAs/InP PIN探測器上開展。然而，平面結(jié)構(gòu)中所必須的擴散工藝導(dǎo)致的電學(xué)串擾使得器件難以向更小尺寸發(fā)展。同時，平面結(jié)構(gòu)中由對準偏差導(dǎo)致的偏振相關(guān)的像差效應(yīng)也不可避免。與平面結(jié)構(gòu)相比，深臺面結(jié)構(gòu)在物理隔離方面具有優(yōu)勢，具有克服上述不足的潛力。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心E03組長期從事化合物半導(dǎo)體材料外延生長與器件制備的研究。E03組很早就開始了對近紅外及短波紅外探測器材料與器件的研究，曾研制出超低暗電流的硅基肖特基結(jié)紅外探測器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究過短波紅外面陣探測器小像元之間的暗電流抑制及串擾問題【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03組研究團隊的張珺玚博士生在陳弘研究員，王文新研究員，鄧震副研究員地指導(dǎo)下，針對光的偏振成像，并結(jié)合亞波長光柵制備技術(shù)，片上集成了一種臺面型InGaAs/InP基PIN短波紅外偏振探測器原型器件。該原型器件具有的深臺面結(jié)構(gòu)可以有效地防止電串擾，使其潛在地實現(xiàn)更小尺寸短波紅外偏振探測器的制備。
圖1是利用濕法腐蝕和電子束曝光等微納加工技術(shù)制備紅外探測器及亞波長光柵的工藝流程。圖2和圖3分別是制備完成后的紅外探測器光學(xué)顯微鏡圖片和不同取向的亞波長光柵結(jié)構(gòu)SEM圖片。
圖1. 集成有亞波長Al光柵的臺面型InGaAs PIN基偏振探測器的工藝流程示意圖。
圖2. 兩種臺面尺寸原型器件的光學(xué)顯微鏡圖片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。
圖3. 四種角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光柵形貌。
圖4是不同臺面尺寸的P1和P0器件(無光柵)在不同條件下的J-V特性曲線和響應(yīng)光譜。在1550 nm光激發(fā)，-0.1 V偏壓下，P1和P0器件的外量子效率分別為 63.2% and 64.8%，比探測率D* 分別達到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。
圖4. InGaAs PIN原型探測器(無光柵)的J-V特性曲線和響應(yīng)光譜。(a) 無光照下，P1和P0的暗電流密度Jd-V特性曲線；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光電流密度Jph-V特性曲線，插圖是-0.1V下光電流密度與入射光功率之間的關(guān)系曲線； (d) P1和P0的響應(yīng)光譜曲線。
圖5表明器件的偏振特性。從圖5可以看出，透射率隨偏振角度周期性變化，相鄰方向間的相位差在π/4附近，服從馬呂斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亞波長光柵器件的消光比分別為18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透過率均超過90%，表明該偏振紅外探測器件具有良好的偏振性能。
圖5. (a) 1550 nm下，無光柵器件和0°, 45°, 90°和135°亞波長光柵器件的電學(xué)信號隨入射光極化角度的變化關(guān)系；(b) 光柵器件透射譜。
綜上所述，研究團隊制備的臺面結(jié)構(gòu)InGaAs PIN探測器，其響應(yīng)范圍為900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探測率為6.28×1011 cm·Hz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光柵的器件均表現(xiàn)出明顯的偏振特性，消光比可達18:1，TM波的透射率超過90%。上述的原型器件作為一種具有良好偏振特性的臺面結(jié)構(gòu)短波紅外偏振探測器，有望在偏振紅外探測領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。
近日，相關(guān)研究成果以題“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”發(fā)表在Optics Letters【47，6173（2022）】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、懷柔研究部的資助。另外，感謝微加工實驗室楊海方老師在電子束曝光等方面的細心指導(dǎo)和幫助。物理所E03組博士研究生張珺玚為第一作者。
相關(guān)工作鏈接：https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-23-6173&id=521959
來源：中國科學(xué)院物理研究所
