人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器

发表时间:2022-05-30 08:53

红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力,拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界。当前,长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用。随着各国对高端红外探测器要求的快速提升,传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显。

基于微纳光学理论设计的人工微纳结构,可实现其与红外光子的高效耦合,综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度。为拓展红外探测器额外的调控自由度,进而在实现高量子效率的同时,兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性,集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用。


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人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器的几种主要机制及其特点


这项研究讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展,详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势,进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向。


表:不同增强的机制在长波及甚长波红外波段的代表性工作

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表面等离激元(SPP)是金属表面自由电子与电磁场相互耦合形成的一种在金属与介质界面传播的隐逝波。SPP模式逐渐被用于探测器增强中。红外探测器可分为单元探测器与焦平面阵列探测器,基于SPP设计的微纳结构应用于单像元长波红外增强的结构主要有牛眼结构,光栅耦合、小孔阵列等。其中,牛眼结构由多个金属圆环光栅组成,可耦合照射到光栅区域内的红外光,将其转换成SPP模式,进而传播到置于牛眼结构中心的探测器中,提高探测器的光吸收效率与响应率。金属在甚长波红外波段的光学特性相较于长波红外波段更接近于完美电导体,导致SPP模式的局域能力更弱。


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(a)混合等离激元结构的石墨烯红外探测器示意图;(b)小孔纳米天线放大图;(c)光栅结构示意图;(d)纳米天线和狭缝示意图;(e)SPP增强超薄二类超晶格探测器示意图;(f)顶部:势垒阻挡型超薄红外探测器,底部:二类超晶格能带结构;(g)探测器及其中不同材料的吸收谱


局域等离激元模式(LSP)是非传播的局域模式,有确定的共振频率。LSP的共振特征主要依赖于人工微纳结构的尺寸、表面形状,以及诸如态密度和有效质量等材料参数。金属颗粒激发的LSP局域模式在可见-近红外领域已有广泛的应用,在低维材料或者热敏材料上沉积金属纳米颗粒,所激发的LSP局域模式能有效增强探测器的响应率或响应速度。在长波及甚长波红外,激发LSP模式的微纳结构主要为圆盘结构或者小孔阵列。LSP除了增强量子点或石墨烯探测器外,也在一些基于热电效应的红外探测器中有着应用。金属微纳结构激发的表面局域模式,恰好使得垂直入射的红外光的波矢方向从z轴方向转变成x轴方向,电场振动方向沿着z轴方向,因此SPP或LSP模式非常适合提高量子阱材料耦合效率。


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(a)带有金等离激元结构的HgSe量子点探测器制备方法;(b)不同等离激元圆盘阵列半径下的增强比;(c)石墨烯与氧化钒异质结构红外探测器示意图;(d)氧化钒为绝缘相时,不同费米能级的石墨烯探测器吸收谱;(e)氧化钒为金属相时,不同费米能级的石墨烯探测器吸收谱


谐振腔是由金属或高介电介质包裹的封闭结构。电场和磁场能量能够存储在腔内,仅有的热损耗为腔内填充介质的介质损耗和腔壁的有限电导率。谐振腔结构在增强长波甚长波红外探测器时,常采用金属/介质/金属(MIM)设计形式。长波红外领域中利用MIM结构增强的探测器主要有二类超晶格和量子阱探测器。多项研究证明在红外探测器中引入MIM结构,能够有效增强材料与光的耦合效率,从而提高探测器的量子效率。目前,MIM在增强长波甚长波红外探测,主要用于量子阱器件和二类超晶格探测器中。


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(a)MIM量子阱探测器示意图;(b)MIM量子阱探测器和45°耦合的标准量子阱探测器响应谱;(c)光学方法拓展截止波长的实验值(黑色)和改变材料参数拓展截止波长的计算值(红色);(d)MIM微腔结构制备流程图


陷光结构是按照一定规律周期性排列的人工微纳结构,其光学性质可以用光子晶体理论表述。不同于可见-近红外中的陷光结构主要设计成周期性的小孔阵列结构,在中波及长波红外中主要采用周期性的柱状阵列来局域光场。


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(a)碲镉汞陷光结构红外探测器示意图;(b)中波红外碲镉汞平面结构和陷光结构探测器吸收谱;(c)长波红外碲镉汞平面结构探测器、无填充介质陷光结构探测器和填充介质陷光结构探测器吸收谱;(d)基于金属薄膜横向的趋肤传输模式增强碲镉汞探测器吸收示意图;(e)碲镉汞平面结构、碲镉汞横向传输模式增强的改进结构在7-11μm的量子效率


超透镜是由超表面组成的平面透镜,在超表面的结构处引入相位突变来调控入射光的波前相位分布。超透镜结构增强红外探测器为新兴领域,由于其在宽带红外增强等方面的显著优势。

除前面所提到的几种增强机制外,还存在基于另外增强机制设计的人工微纳结构来增强长波及甚长波红外探测器,主要有赝表面等离激元、间隙等离激元与声子极化激元等。

人工微纳结构与当前红外探测器的进一步结合还存在一些技术性问题或原理性限制。首先,人工微纳结构需要通过电子束光刻、等离子体刻蚀、纳米压印等工艺制备,这些工艺会不同程度的污染或损伤探测器材料(如,MIM微腔结构中对红外探测器去衬底工艺、陷光结构中对探测器高深宽比刻蚀等)。其次,焦平面红外探测器是凝视型红外探测系统的基础,正不断向小像元大面阵的方向发展以实现更高的空间分辨率。当前大多数的人工微纳结构增强是为单元器件设计的,若仍基于现有增强机制实现长波及甚长波红外波段的增强,将不可避免地面临人工微纳结构的特征长度(周期、直径等)较大的问题,进而导致较强的光串扰或较低的像元密度。最后,当前人工微纳结构对入射光的实时调控能力较弱,面对复杂环境下的动态适应与调控能力不足。


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人工微纳结构与红外探测器高度集成化的新一代红外探测器发展展望

针对上述问题,本研究指出在增强长波及甚长波红外探测器方面,人工微纳结构有待发展的方向:(1)在设计有增强结构的长波及甚长波红外探测器时,应采用或发展均匀性高、损伤低及与传统半导体工艺相兼容的工艺技术;(2)对应现有增强机制在长波及甚长波红外波段的各自局限性,建立基于微纳光学属性的新理论,设计诸如横向趋肤的传输模式的新增强机制,或基于新的光电探测器机制、新光电转换材料设计新型人工微纳结构,亦是增强红外探测器未来的发展方向;(3)对于焦平面探测器,建立一个客观的评价指标体系,综合评估人工微纳结构在焦平面中的增强效果、像元串扰等参数;(4)突破目前采用的平面微纳结构工艺,有效利用倾斜边缘(如横向趋肤效应结构)等特征,带来的准3维设计自由度;(5)采用石墨烯、黑磷等可通过外电场、温度场、压力场等外界调控手段,改变自身光学特性的低维材料、相变材料等,设计可动态调控偏振消光比、波长选择、光场聚焦能力的高集成度人工微纳结构。随着对新工艺、新结构的深入研究和不断发展,发展性能增强及多维度探测人工微纳结构与高性能红外探测器的进一步结合将拓宽红外探测器的应用场景,为红外探测器面向SWaP³指标和发展新一代的红外探测器提供了新的解决方案。

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