集成有亞波長光柵的臺面型InGaAs基短波紅外偏振探測器

　　【儀表網 儀表研發】紅外輻射(760nm-30μm)作為電磁波的一種，蘊含著物體豐富的信息。紅外光電探測器在吸收物體的紅外輻射后，通過光電轉換、電信號處理等手段將攜帶物體輻射特征的紅外信號可視化。其具有全天候觀測、抗干擾能力強、穿透煙塵霧霾能力強、高分辨能力的特點，在國防、天文、民用領域扮演著重要的角色，是當今信息化時代發展的核心驅動力之一，是信息領域戰略性高技術必爭的制高點。眾所周知，波長、強度、相位和偏振是構成光的四大基本元素。其中，光的偏振維度可以豐富目標的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生動、更接近人眼接收到的圖像。因此偏振成像在目標-背景對比度增強、水下成像、惡劣天氣下探測、材料分類、表面重建等領域有著重要應用。在短波紅外領域，InGaAs/InP材料體系由于其帶隙優勢，低暗電流，和室溫下的高可靠性已經得到了廣泛的應用。目前，一些關于短波偏振探測技術的研究已經在平面型InGaAs/InP PIN探測器上開展。然而，平面結構中所必須的擴散工藝導致的電學串擾使得器件難以向更小尺寸發展。同時，平面結構中由對準偏差導致的偏振相關的像差效應也不可避免。與平面結構相比，深臺面結構在物理隔離方面具有優勢，具有克服上述不足的潛力。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心E03組長期從事化合物半導體材料外延生長與器件制備的研究。E03組很早就開始了對近紅外及短波紅外探測器材料與器件的研究，曾研制出超低暗電流的硅基肖特基結紅外探測器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究過短波紅外面陣探測器小像元之間的暗電流抑制及串擾問題【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03組研究團隊的張珺玚博士生在陳弘研究員，王文新研究員，鄧震副研究員地指導下，針對光的偏振成像，并結合亞波長光柵制備技術，片上集成了一種臺面型InGaAs/InP基PIN短波紅外偏振探測器原型器件。該原型器件具有的深臺面結構可以有效地防止電串擾，使其潛在地實現更小尺寸短波紅外偏振探測器的制備。
 

　　圖1是利用濕法腐蝕和電子束曝光等微納加工技術制備紅外探測器及亞波長光柵的工藝流程。圖2和圖3分別是制備完成后的紅外探測器光學顯微鏡圖片和不同取向的亞波長光柵結構SEM圖片。
 

　　圖1. 集成有亞波長Al光柵的臺面型InGaAs PIN基偏振探測器的工藝流程示意圖。

 

　　圖2. 兩種臺面尺寸原型器件的光學顯微鏡圖片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。

 

　　圖3. 四種角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光柵形貌。

 

　　圖4是不同臺面尺寸的P1和P0器件(無光柵)在不同條件下的J-V特性曲線和響應光譜。在1550 nm光激發，-0.1 V偏壓下，P1和P0器件的外量子效率分別為 63.2% and 64.8%，比探測率D* 分別達到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。
 

　　圖4. InGaAs PIN原型探測器(無光柵)的J-V特性曲線和響應光譜。(a) 無光照下，P1和P0的暗電流密度Jd-V特性曲線；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光電流密度Jph-V特性曲線，插圖是-0.1V下光電流密度與入射光功率之間的關系曲線； (d) P1和P0的響應光譜曲線。

 

　　圖5表明器件的偏振特性。從圖5可以看出，透射率隨偏振角度周期性變化，相鄰方向間的相位差在π/4附近，服從馬呂斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亞波長光柵器件的消光比分別為18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透過率均超過90%，表明該偏振紅外探測器件具有良好的偏振性能。
 

　　圖5. (a) 1550 nm下，無光柵器件和0°, 45°, 90°和135°亞波長光柵器件的電學信號隨入射光極化角度的變化關系；(b) 光柵器件透射譜。

 

　　綜上所述，研究團隊制備的臺面結構InGaAs PIN探測器，其響應范圍為900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探測率為6.28×1011 cm·Hz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光柵的器件均表現出明顯的偏振特性，消光比可達18:1，TM波的透射率超過90%。上述的原型器件作為一種具有良好偏振特性的臺面結構短波紅外偏振探測器，有望在偏振紅外探測領域具有潛在的廣泛應用前景。
 

　　近日，相關研究成果以題“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”發表在Optics Letters【47，6173(2022)】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中國科學院青年創新促進會、中國科學院戰略性先導科技專項、懷柔研究部的資助。另外，感謝微加工實驗室楊海方老師在電子束曝光等方面的細心指導和幫助。物理所E03組博士研究生張珺玚為第一作者。