【摘要】：基于傳統(tǒng)的光刻和化學(xué)濕法腐蝕工藝,通過卷曲技術(shù),提出一種三維管狀量子阱紅外探測器.該管狀器件相比于未卷曲的平面器件,在垂直入射光照下,展現(xiàn)了優(yōu)良的暗電流、黑體響應(yīng)和光電流響應(yīng)率特性曲線.當(dāng)工作溫度60 K、偏置電壓0.45 V時,管狀器件峰值響應(yīng)率為20.6 mA/W,峰值波長3.62μm,最大量子效率2.3%.從幾何光學(xué)的角度分析了管狀器件的垂直光吸收原理,進而揭示了一種特殊的光耦合方式.測試了不同角度入射光照射下的光電流響應(yīng)率譜.由于微管的近似圓形對稱性,器件具有很寬的視角,有助于紅外探測系統(tǒng)的設(shè)計.
【圖文】：

llinfraredphoto-detector，QWIP)作為20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的第三代紅外探測器，具有材料生長工藝成熟、器件均勻性好、光響應(yīng)速度快及波長連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點［1-2］，在國防、航空航天、天文觀測和民用領(lǐng)域等有廣闊的應(yīng)用前景［3］．QWIP基于量子阱的子帶躍遷，即在吸收外界光子后電子從阱內(nèi)的基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)進而形成光電流來實現(xiàn)紅外探測．由于量子阱的一維限制結(jié)構(gòu)(電子在材料生長方向上受限)，只有電場分量沿著量子阱生長方向的入射光才能被其吸收［4］．因此，QWIP存在著如何耦合外界光的問題．圖1(a)為最簡單的光耦合方式———布儒斯特角耦合［5］，器件響應(yīng)和量子效率非常低;圖1(b)為45o邊耦合［6-7］，即入射光從器件邊緣打磨出的45o斜面入射，這種方式不適用于大規(guī)模的焦平面陣列;此外，在器件表面制作出金屬或介質(zhì)光柵、隨機發(fā)射層或波紋層后，器件可以實現(xiàn)光柵耦合［8-10］、隨機反射耦合［11］或波紋耦合［12］，如圖1(c)、1(d)和1(e)所示．由于QWIP的子帶躍遷工作模式，其量子效率較帶間躍遷紅外探測器偏�。虼耍瑸樘岣逹WIP的量子效率，一些具有電磁共振效果的光耦合結(jié)構(gòu)被廣泛采用．圖1(f)展示了一種光子晶體耦合結(jié)構(gòu)［13］，它可以實現(xiàn)器件的窄帶增強響應(yīng);圖1(g)和1(h)分別為金屬二維孔洞陣列耦合結(jié)構(gòu)［14］和金屬-絕緣體-金屬微腔耦合結(jié)構(gòu)［15］，，同樣可以提高器件的量子效率．值得指出的是，由于利用耦合結(jié)構(gòu)的共振模式，這些QWIP只能實現(xiàn)窄帶的響應(yīng)增強．我們提出一種管狀的量子阱紅外探測器(tubularQWIP)，其無需額外的結(jié)構(gòu)就能直接吸收垂直入射光，并具有寬視角和寬頻率的響應(yīng)特點［16］．本工作介紹了三維管狀量子阱紅外探測器件的設(shè)計和制

紅外與毫米波學(xué)報36卷圖3(a)平面和管狀器件在60K下的暗電流譜，(b)平面和管狀器件在60K溫度下黑體響應(yīng)隨偏置電壓的變化特性．插圖表明外界光垂直照射到器件表面Fig．3(a)Darkcurrentspectraoftheplanarandtubularde-vicesat60K，(b)Plotoftheblackbodyresponseasafunctionofthebiasoftheplanarandtubulardevicesat60K．Theinsetsshowthatthedevicesareverticallyilluminatedbytheexternallight克常數(shù)，c為真空中的光速．計算得知，管狀器件在0．45V偏壓下的峰值量子效率為2．3%．在傳統(tǒng)的量子阱紅外探測器中，單周期量子阱的量子效率一般不超過1%［5-6，18］，即小于管狀器件的值，表明了三維管狀結(jié)構(gòu)能夠有效地耦合垂直入射光．圖5中，偏置電壓的變化同時引起了器件峰值響應(yīng)波長的微小偏移(如虛線所示)，這是由于應(yīng)變薄膜卷成微管后，材料應(yīng)變態(tài)的變化導(dǎo)致了量子阱的能帶邊發(fā)生偏移［19］，進而當(dāng)改變外加電場時，量子阱內(nèi)的能級發(fā)生變化即器件響應(yīng)峰產(chǎn)生微小移動．2．2管狀器件不同入射角下的光響應(yīng)對于管狀QWIP器件，當(dāng)入射光垂直入射時，如圖5器件光吸收示意圖和插圖所示，射向微管側(cè)壁的光線與管壁/空氣界面處的法線成夾角θ(入射角)，在經(jīng)過管壁折射后仍以θ(出射角)進入到微管空腔;光在穿越管壁內(nèi)的量子阱區(qū)域過程中，一部分圖4不同偏壓下管狀器件的光電流響應(yīng)率隨波長的變化關(guān)系Fig．4Photocurrentresponsivityasafunctionofthewave-lengthofthetubulardeviceunderdifferentbiases電場分量平行于法線方向的折射光It會被量子阱吸收并形成光電流．并且，進入到空腔內(nèi)的光束穿出管壁時會被再次吸收．由于微管的近似圓形對稱結(jié)構(gòu)，僅有射向微管頂部的少量入射光無法被量子阱吸收．因此，三維管狀QWIP展現(xiàn)

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本文編號：2582850