基于量子阱材料的光耦合微结构研究进展

叶新辉

(上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093)

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Detector，QWIP)是长波红外探测领域的重要材料分支，在夜视、导弹追踪、医学成像、工业缺陷成像、环境遥感、行星探索引文等[1-2]领域都有重要的应用价值。

图1为量子阱能带跃迁原理示意图，每一周期的量子阱由形成势阱和势垒的两种晶格常数相近材料交替排列形成，两者接触面上能带发生突变，电子和空穴被限制在低势能的量子阱中，阱宽足够小时，导致载流子波函数在一维方向上的局域化，而势垒层足够厚时，相邻势阱之间载流子波函数耦合很小。在红外光的照射下，阱中电子发生跃迁，从低能态跃迁到高能态。在材料两端施加偏压后，光生载流子就在电压引起的内建电场作用下漂移、扩散，运动到半导体的两端，从而被电路收集到成为为光电流。通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，从而调节红外吸收波段。

图1 量子阱能带跃迁原理图

自从Goossen等[3]将二维光栅引入后，关于QWIP的各种光耦合结构便获得广泛关注。作为光子型探测器，量子效率是衡量QWIP器件光电转换能力的重要参数，它是指特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，反应了器件的光电流水平。在长波红外探测材料中，碲镉汞(HgCdTe)应用最为广泛，但是，Hg-Te的键合力太弱，材料和器件制备技术一直难以精确控制：材料有毒性有可能造成健康问题；汞蒸发为蒸气所需的高压存在安全隐患；材料重复生长的某些成分不均匀性等问题引起碲镉汞原子相互作用的相变。与占主导地位HgCdTe材料相比，量子阱材料具有工艺成熟、均匀性和热稳定性好的优点[4]，而且具有电子迁移率高的特点，是制备成大规模红外焦平面阵列器件的理想材料。然而，受子带间跃迁选择定则的限制[5-6]，N型量子阱只能吸收电场分量垂直于量子阱层的电磁波，不能吸收垂直入射光，为克服这一缺点，通常需要采用光栅等结构耦合入射光。目前，商用QWIP也仅有10%的量子效率[7]，而HgCdTe的量子效率在70%以上，镀增透膜后更是高达90%，QWIP比HgCdTe小1个量级。增强光吸收、进而提高量子效率是QWIP发展的主要方向之一。因此，近年来，研究人员一直致力于设计新的结构增强对红外光的吸收，并期望通过微电子工艺实现制备和应用。

1 常规光耦合方式

自量子阱材料诞生伊始，人们就不断提出光耦合的解决方案，图2总结了一些常规的耦合方式：

图2(a)为45°光波导耦合[8]，由Levine B F于1987年首次提出，光从器件边缘打磨出的45°斜面垂直入射，实现Ez电场分量的增加来提高吸收，但这种方法只适用于制备时测试电学性能的单元器件，无法实现大规模焦平面阵列的制备。

图2(b)为随机反射耦合[9]，使用光刻技术将材料表面刻划成粗糙的反射面，入射光线遇到随机反射层发生全反射，光的反射角度发生改变，其中的部分红外光产生Ez电场分量继而被量子阱吸收。

图2(c)波纹耦合[10]利用化学方法将量子阱刻蚀成V型槽，由于量子阱生长面几乎平行于量子阱区的路径有利于产生便于量子阱吸收的电场分量，器件量子效率获得较大的提高。

图2(d)光栅耦合[11-15]是量子阱器件比较成熟并且得到商业应用的耦合方式，能够更好地利用衍射效应将光子局域在结构中，提高光子与材料的相互作用，获得更多转变为光电子的机会。

图2 常规光耦合方式示意图

2 基于超构材料的新颖光耦合方式

传统长波红外探测器对光的吸收主要依赖材料自身的性质，超构材料(Metamaterial)是尺寸小于工作波长的结构单元，与传统材料不同，超构材料的性能不仅由探测材料的物理性质决定，受材料的几何结构及排列方式的影响也很大。

超构材料在可见近红外波段已经得到广泛研究，并取得良好效果，例如纳米线结构[16]，对于提高太阳能电池的光电转换效率，促进清洁能源的发展具有显著的经济价值。得益于微纳加工技术的发展，将人工微结构应用到长波红外波段，加工工艺结合理论指导，从而减少反射、增强光吸收是提高量子阱红外探测器量子效率的重要途径，实现超构材料的制备并使其产生应用价值具有显著经济意义。下面总结了近年来出现的新颖光耦合结构：

王晗等[17]制备了不受入射角影响的管状量子阱(图3(a))，用湿法腐蚀的方法将量子阱卷曲成微型管状结构，当红外光进入管内后，受管壁的不断反射，与量子阱相互作用的机会增加，而且不受光的入射方向的影响，使量子效率得到了提高，但该制备工艺下只包含一个周期的量子阱，削弱了对光的吸收和暗电流的抑制，不能发挥多量子阱的势垒层在抑制暗电流上的优势。

唐伟伟等[18]提出全介质耦合入射光(图3(b))，降低了以往使用金属作为耦合介质时的光损失，经过模拟计算，其峰值吸收效率有望超过80%；甄涛等[19]采用的金属等离激元微腔结构(图3(c))，其光吸收在理论上可达82%。Daniele Palaferri等[20-21]制备了一种亚波长金属谐振器结构(图3(d))，该结构将电场压缩进亚波长微腔中，在光子收集面积不变的情况下减少了电学面积，而暗电流随器件面积减少而降低，不足是吸收区厚度只有386 nm、总计只有5层量子阱，削弱了多量子阱对暗电流的抑制作用；Hideki T Miyazaki等[22]使用经过优化的折叠导线将单量子阱连接起来形成天线(图3(e))，该结构在78 K温度下的外量子效率达到61%，响应率达到3.3 A/W，在低温下展现了优异的探测能力，然而，由于吸收区只含一对势阱和势垒，温度升高时，暗电流随之急剧上升，信噪比迅速恶化。

图3 新颖光耦合方式

可以看出，目前为止人们设计制备了金属或介质微腔等各种增强光吸收的耦合结构，起到了明显的局域光的作用，实现量子阱对红外光的高效吸收；但同时由于结构对耦合距离的限制，有源区厚度需要控制在较小的范围内，才能起到强耦合效果，极大地限制了量子阱/垒的周期数，难以对暗电流形成有效抑制，因此在增强吸收、提高量子效率的同时，如何降低器件的暗电流，是量子阱光电结构设计面临的突出难题。更为关键的是，上述方案都涉及微米甚至亚微米级的结构制备，要形成超薄的微腔需要通过剥离、卷曲等难度极高的加工工艺，成品率低，因此，要推广到大面阵焦平面制备并形成商用将面临很大的挑战。

3 结 语

对于QWIP器件不能吸收垂直入射光的物理缺陷，通过构造各种陷光结构是改善光吸收能力的主要手段，特别是基于超构材料的原理性优势，人们开发了很多新颖的光耦合几何结构。经过设计优化后的微结构，其光吸收能力都得到不同程度的改善，并实现了响应波段可调，但是也存在制备难度大的不足，对于实现商业应用，尤其满足第三代焦平面器件对于面阵规模日益增大并且保证均匀性的要求一定距离。另外，目前的方案更多的是为了提高光吸收能力，对于量子阱由热激发产生的暗电流还缺少有效的抑制办法，有待更优的光耦合结构的引入。