基于量子阱材料的光耦合微結構研究進展

葉新輝

(上海理工大學材料科學與工程學院，上海 200093)

GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器(Quantum Well Infrared Detector，QWIP)是長波紅外探測領域的重要材料分支，在夜視、導彈追蹤、醫學成像、工業缺陷成像、環境遙感、行星探索引文等[1-2]領域都有重要的應用價值。

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相近材料交替排列形成，兩者接觸面上能帶發生突變，電子和空穴被限制在低勢能的量子阱中，阱寬足夠小時，導致載流子波函數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耦合很小。在紅外光的照射下，阱中電子發生躍遷，從低能態躍遷到高能態。在材料兩端施加偏壓后，光生載流子就在電壓引起的內建電場作用下漂移、擴散，運動到半導體的兩端，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行人工剪裁，從而調節紅外吸收波段。

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，關于QWIP的各種光耦合結構便獲得廣泛關注。作為光子型探測器，量子效率是衡量QWIP器件光電轉換能力的重要參數，它是指特定波長下單位時間內產生的平均光電子數與入射光子數之比，反應了器件的光電流水平。在長波紅外探測材料中，碲鎘汞(HgCdTe)應用最為廣泛，但是，Hg-Te的鍵合力太弱，材料和器件制備技術一直難以精確控制：材料有毒性有可能造成健康問題；汞蒸發為蒸氣所需的高壓存在安全隱患；材料重復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。與占主導地位HgCdTe材料相比，量子阱材料具有工藝成熟、均勻性和熱穩定性好的優點[4]，而且具有電子遷移率高的特點，是制備成大規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構耦合入射光。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90%，QWIP比HgCdTe小1個量級。增強光吸收、進而提高量子效率是QWIP發展的主要方向之一。因此，近年來，研究人員一直致力于設計新的結構增強對紅外光的吸收，并期望通過微電子工藝實現制備和應用。

1 常規光耦合方式

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總結了一些常規的耦合方式：

圖2(a)為45°光波導耦合[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性能的單元器件，無法實現大規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生全反射，光的反射角度發生改變，其中的部分紅外光產生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的路徑有利于產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應用的耦合方式，能夠更好地利用衍射效應將光子局域在結構中，提高光子與材料的相互作用，獲得更多轉變為光電子的機會。

圖2 常規光耦合方式示意圖

2 基于超構材料的新穎光耦合方式

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

超構材料在可見近紅外波段已經得到廣泛研究，并取得良好效果，例如納米線結構[16]，對于提高太陽能電池的光電轉換效率，促進清潔能源的發展具有顯著的經濟價值。得益于微納加工技術的發展，將人工微結構應用到長波紅外波段，加工工藝結合理論指導，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，實現超構材料的制備并使其產生應用價值具有顯著經濟意義。下面總結了近年來出現的新穎光耦合結構：

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構，當紅外光進入管內后，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，不能發揮多量子阱的勢壘層在抑制暗電流上的優勢。

唐偉偉等[18]提出全介質耦合入射光(圖3(b))，降低了以往使用金屬作為耦合介質時的光損失，經過模擬計算，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構(圖3(c))，其光吸收在理論上可達82%。Daniele Palaferri等[20-21]制備了一種亞波長金屬諧振器結構(圖3(d))，該結構將電場壓縮進亞波長微腔中，在光子收集面積不變的情況下減少了電學面積，而暗電流隨器件面積減少而降低，不足是吸收區厚度只有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]使用經過優化的折疊導線將單量子阱連接起來形成天線(圖3(e))，該結構在78 K溫度下的外量子效率達到61%，響應率達到3.3 A/W，在低溫下展現了優異的探測能力，然而，由于吸收區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，目前為止人們設計制備了金屬或介質微腔等各種增強光吸收的耦合結構，起到了明顯的局域光的作用，實現量子阱對紅外光的高效吸收；但同時由于結構對耦合距離的限制，有源區厚度需要控制在較小的范圍內，才能起到強耦合效果，極大地限制了量子阱/壘的周期數，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，是量子阱光電結構設計面臨的突出難題。更為關鍵的是，上述方案都涉及微米甚至亞微米級的結構制備，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。

3 結 語

對于QWIP器件不能吸收垂直入射光的物理缺陷，通過構造各種陷光結構是改善光吸收能力的主要手段，特別是基于超構材料的原理性優勢，人們開發了很多新穎的光耦合幾何結構。經過設計優化后的微結構，其光吸收能力都得到不同程度的改善，并實現了響應波段可調，但是也存在制備難度大的不足，對于實現商業應用，尤其滿足第三代焦平面器件對于面陣規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產生的暗電流還缺少有效的抑制辦法，有待更優的光耦合結構的引入。