美国开发出非制冷“纳米线”中短波红外光电二极管

磷化铟衬底上的InAs和InAsSb纳米线可形成适用于焦平面阵列的室温SWIR或MWIR光电二极管。

从军事领域（根据导弹产生的热量定位导弹）、科学领域（遥感、光谱学）到环境领域（气体监测、穿透雾霾），包括焦平面阵列（FPA）在内的短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）传感器使许多重要的红外传感和成像应用成为可能。然而，现有的实用型SWIR和MWIR传感器都存在一个明显缺陷：需要制冷。这包括了基于锑化铟（InSb）、碲镉汞（MCT）和砷化铟／锑化镓（InAs／GaSb）以及Ⅱ类超晶格FPA传感器。对冷却系统的需求增加了器件的体积，特别是对微小尺寸的光电探测系统来说，这将显著增加成本和维护需求。

据麦姆斯咨询报道，加州大学洛杉矶分校（UCLA）和英国卡迪夫大学（Cardiff University）的研究人员采用一种新方法解决了这个问题。科学家们发明的室温非制冷SWIR和MWIR探测器由垂直生长于磷化铟（InP）衬底的InAs或InAsSb纳米线阵列组成，使纳米线与衬底的结合产生InAs－InP异质结。然后可覆盖一层氧化铝（Al2O3）来钝化该结构，从而降低纳米线表面的非辐射复合。

计算机模拟显示，与平面非制冷InAs光电二极管相比，非制冷InAs（Sb）－InP纳米线异质结光电二极管的等离子体模式共振峰值D＊可在3.0μm波长时达到3.5×1010cm Hz1／2W－1，这比平面光电二极管高了近10倍。

研究人员基于之前开发的标准工艺制备出了纳米线光电探测器，使纳米线在适当波长范围内生长于为光电探测优化的图案上，然后用Al2O3钝化。接着去除纳米线尖端的钝化涂层。利用纳米线本身作为阴影掩膜，将金沉积在纳米线承载表面上，再在金上制作一系列纳米孔，就形成等离子体光栅（如下图）。这种光栅非常重要：其作用是通过等离子体共振来增强入射光与纳米线尖端的耦合。

示例中，SWIR器件的制造有效面积为200×200μm2。探测器表面包含1300nm间距、264nm直径和1650nm高度的纳米线。该器件的室温光谱响应峰值约在2.0和3.4μm，与等离子体共振相当。

为实现在纳米线阵列（如图a）上生长金光栅，纳米线本身（垂直生长）被用作阴影掩膜，以一定角度将金沉积到表面，会导致未沉积区域（暗区）。

未来基于纳米线的分离吸收倍增结构雪崩光电二极管（SAM－APD）将具有有刻面的纳米线，以帮助缓解晶格失配应变（如图b）。

图片来源：加州大学洛杉矶分校（UCLA）Dingkun Ren

后续研究

加州大学洛杉矶分校的研究人员Dingkun Ren表示，未来基于纳米线的红外探测器将包含光子晶体光栅。这提供一种更好的方法来调整器件的峰值波长。在目前的自组装等离子体结构中，等离子体峰值波长是通过改变纳米线间距（即纳米线到纳米线的距离）来调谐的。然而，控制不同纳米线间距阵列上的生长均匀性是非常困难的。在新型的光子晶体光栅结构中，将通过改变气孔间距（airhole）来设计峰值，这可以简单地通过光刻工艺进行控制。Ren说，“这是一种更强大的光学设计！”

该研究团队还在设计SAM－APD，这是基于纳米线和金属光子晶体光栅的MWIR APD。这些器件可以在线性模式下工作，并通过内部增益进一步提高信噪比（SNR）。由于没有可用的晶格匹配的大带隙材料来制备SAM－APD结构，因此在纳米线生长过程中，通过纳米线侧壁面弹性调节应变，可以实现具有大晶格失配的异质外延。