表面等離激元光柵在高靈敏紅外探測器中的應用

　　自1800年William Herschel發現紅外輻射后，紅外探測逐漸成為現代光電技術領域的重要分支。以諾貝爾物理學獎獲得者Wilhelm Wien, Max Planck等人為代表的科學家們建立了遠場范疇的紅外物理學基礎（圖1）。基于人們對遠場紅外物理學的科學認識，紅外探測技術的發展經過了漫長而曲折的歷程，直到上世紀60年代，光子型探測器才利用其材料特性優勢顯示出其在探測靈敏度上的巨大發展潛力。得益于分子束外延（MBE）技術的快速發展，半導體量子阱結構的材料質量、能帶工程調控自由度和大面積等優勢使得基于量子阱的紅外探測技術得到了極其廣泛的研究。

圖1 紅外物理學奠基人（圖片來自于網絡）

　　近年來，由于表面等離激元光子學的興起，紅外探測技術從傳統的遠場范疇被快速推進到近場范疇，人們報導了利用等離激元對于光的近場耦合引發了很強的紅外探測增強效應。比如：Chu-Chieh Chang等人使用二維金屬孔陣列結構實現了量子阱/InAs量子點紅外光探測器，吸收增強130%。利用表面金屬圓孔陣列結構可實現入射光從量子點紅外光器件金屬孔薄膜和襯底不同方向入射時的目標紅外光探測，利用等離激元微腔的截止波長調控技術可制作單層量子阱長波紅外光探測器。

　　在主流量子阱紅外探測器（QWIP）中，III-V族半導體材料研究最為廣泛并在近期得到飛速發展。但是，基于子帶間躍遷的QWIP屬于非本征探測器，其光學吸收的橫截面受到限制，單層量子阱光電耦合效率較低。為此，我們引入多種增強機制，分別采用表面等離激元光柵的近場場增強(SPP)效應和光敏浮柵(Photo-Gating)效應跨導放大機制，提升單層量子阱探測器的光電耦合效率和光導增益，從而提高器件探測性能。

　　表面等離激元光柵的設計及光學性質

　　“Plasma”最早于1839年作為生物學名詞出現，1928年美國物理學家Langmuir首次引入物理學，描述的是一種電中性電離氣體。1902年Wood在金屬光柵光學反射測量中觀察到表面等離激元現象，1956年Pines首次從理論上解釋了這種現象，歸因于金屬內的自由電子集體振蕩。

　　表面等離激元光柵（即SPP光柵）的研究始于Ebbesen等人發現的增強透射（Enhanced Optical Transmission, EOT）現象。1998年，Ebbesen等人首次發現當光入射到孔陣列的金屬薄膜上時，其光學透射效率比傳統的預測透射效率高1-2個數量級。這種用傳統的電磁波衍射理論無法解釋的奇異現象引起了廣泛的關注，研究表明：金屬的SPP使光子通過小孔隧穿到金屬的另一面，然后又重新輻射，形成增強透射。周期性金屬孔陣列結構可以把能量局域在金屬的表面，這對新型光子和光電子器件的設計有很重要的意義，并且可以覆蓋從微波、太赫茲到紅外和可見光等很寬的波長范圍。

　　針對紅外波段的SPP光柵設計與Ebbesen在可見近紅外波段的增強透射SPP光柵有著明顯的不同。圖2給出了典型的紅外SPP耦合光柵結構，光柵優化設計可以增強量子阱層處共振波長的光場強度，從而提高量子阱的光吸收效率。周期性金屬孔陣列結構或金屬塊結構耦合光柵能夠與遠場光耦合，然后把入射光偏振轉變成TM模式的電磁場，以滿足量子阱對光吸收的選擇定則要求。

圖2 周期性金屬十字孔陣列量子阱器件示意圖

　　通過表面SPP光柵的褶皺設計并選擇合適的暗模式也可以進一步提高微腔的場增強效應和TE-TM偏振轉化效率。考慮到與CSIP器件的工藝兼容性，目前單層耦合的光柵制作工藝已經非常成熟，并被作為CSIP器件的標準耦合光柵。

　　CSIP器件工藝

　　CSIP器件（Charge Sensitive Infrared Phototransistor）在2005年由An等人提出并實現，是一種基于GaAs/AlGaAs材料的雙量子阱紅外光探測器。CSIP器件的基本原理是利用孤立的上層量子阱作為光敏浮柵然后通過場效應放大機制得到光信號。最初CSIP器件采用的光耦合結構為二維金屬正結構光柵（如圖3所示），其主要功能為將入射TE光轉化為量子阱激發所需的TM偏振態，實現量子阱對光吸收的選擇定則。之后經過理論和實驗對比，發現SPP耦合光柵在滿足偏振轉化功能的同時還具有更高的場增強效果，因此將優化的SPP耦合光柵作為CSIP的標準光柵。CSIP器件所用單晶材料結構是通過半導體能帶結構原理設計的，光敏浮柵的基態和第一激發態之間的能級差可根據應用需要進行靈活調節。

圖3 電荷感應紅外光電晶體管（CSIP）三維模型示意圖

　　使用標準的微納加工工藝，如紫外光刻、濕法腐蝕、蒸發鍍膜、退火、電子束曝光等工藝可制備出不同尺寸的雙量子阱紅外光探測器件，然后快速退火形成歐姆接觸，如圖4所示。

圖4 標準六端器件的顯微鏡照片

　　SPP耦合CSIP器件性能

　　SPP耦合CSIP器件將表面等離激元的光場增強效應與半導體場效應結構的電荷放大效應有機結合在一起，從而實現優異的光電探測性能。器件性能測試在約5K的低溫下進行，器件操作中采用光敏浮柵動態時序調控技術，可以實現并調控CSIP器件的長波紅外光探測。同時，用傅立葉變換紅外光譜儀的慢步進掃描可研究CSIP器件光吸收譜。實驗研究表明，經過優化的SPP耦合CSIP器件光響應率達到1.2×104 A/W，比目前該波段的77K下工作商用MCT等探測器高約4個量級。CSIP器件獨特的增益機理使其特別適合于背景輻照低的應用場合，進一步優化光敏浮柵量子阱的尺寸可以實現紅外波段的單光子計數探測性能。

　　展 望

　　CSIP器件具有非常靈活的調控技術：可以通過調控表面等離激元耦合結構提高量子阱中光電耦合效率；可以調控量子阱能帶結構，調控子帶躍遷能量；有望將探測波長延伸至甚長波波段；有望拓展該類型器件的探測波長甚至研制多頻段探測器，以適用于高靈敏探測；有望在前沿的宇宙航天探測中得到實際應用。焦平面陣列探測器的研制也是CSIP器件的一項非常有競爭潛力的目標。因此，CSIP器件具有很大應用前景。SPP光柵耦合CSIP器件是高靈敏度紅外探測領域的一個新的方向，該器件在低輻射背景的紅外探測領域有著很好的應用前景。