【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】紅外輻射(760nm-30μm)作為電磁波的一種，蘊(yùn)含著物體豐富的信息。紅外光電探測(cè)器在吸收物體的紅外輻射后，通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段將攜帶物體輻射特征的紅外信號(hào)可視化。其具有全天候觀測(cè)、抗干擾能力強(qiáng)、穿透煙塵霧霾能力強(qiáng)、高分辨能力的特點(diǎn)，在國(guó)防、天文、民用領(lǐng)域扮演著重要的角色，是當(dāng)今信息化時(shí)代發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力之一，是信息領(lǐng)域戰(zhàn)略性高技術(shù)必爭(zhēng)的制高點(diǎn)。眾所周知，波長(zhǎng)、強(qiáng)度、相位和偏振是構(gòu)成光的四大基本元素。其中，光的偏振維度可以豐富目標(biāo)的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生動(dòng)、更接近人眼接收到的圖像。因此偏振成像在目標(biāo)-背景對(duì)比度增強(qiáng)、水下成像、惡劣天氣下探測(cè)、材料分類、表面重建等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在短波紅外領(lǐng)域，InGaAs/InP材料體系由于其帶隙優(yōu)勢(shì)，低暗電流，和室溫下的高可靠性已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，一些關(guān)于短波偏振探測(cè)技術(shù)的研究已經(jīng)在平面型InGaAs/InP PIN探測(cè)器上開展。然而，平面結(jié)構(gòu)中所必須的擴(kuò)散工藝導(dǎo)致的電學(xué)串?dāng)_使得器件難以向更小尺寸發(fā)展。同時(shí)，平面結(jié)構(gòu)中由對(duì)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的偏振相關(guān)的像差效應(yīng)也不可避免。與平面結(jié)構(gòu)相比，深臺(tái)面結(jié)構(gòu)在物理隔離方面具有優(yōu)勢(shì)，具有克服上述不足的潛力。
 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心E03組長(zhǎng)期從事化合物半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)與器件制備的研究。E03組很早就開始了對(duì)近紅外及短波紅外探測(cè)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(jié)紅外探測(cè)器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究過短波紅外面陣探測(cè)器小像元之間的暗電流抑制及串?dāng)_問題【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03組研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)下，針對(duì)光的偏振成像，并結(jié)合亞波長(zhǎng)光柵制備技術(shù)，片上集成了一種臺(tái)面型InGaAs/InP基PIN短波紅外偏振探測(cè)器原型器件。該原型器件具有的深臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以有效地防止電串?dāng)_，使其潛在地實(shí)現(xiàn)更小尺寸短波紅外偏振探測(cè)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(shù)制備紅外探測(cè)器及亞波長(zhǎng)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(cè)器光學(xué)顯微鏡圖片和不同取向的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)SEM圖片。
 

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

 

　　圖2. 兩種臺(tái)面尺寸原型器件的光學(xué)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(tái)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(yīng)光譜。在1550 nm光激發(fā)，-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(cè)率D* 分別達(dá)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(cè)器(無光柵)的J-V特性曲線和響應(yīng)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(guān)系曲線； (d) P1和P0的響應(yīng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)光柵器件的電學(xué)信號(hào)隨入射光極化角度的變化關(guān)系；(b) 光柵器件透射譜。

 

　　綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)制備的臺(tái)面結(jié)構(gòu)InGaAs PIN探測(cè)器，其響應(yīng)范圍為900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探測(cè)率為6.28×1011 cm·Hz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光柵的器件均表現(xiàn)出明顯的偏振特性，消光比可達(dá)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(tái)面結(jié)構(gòu)短波紅外偏振探測(cè)器，有望在偏振紅外探測(cè)領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。
 

　　近日，相關(guān)研究成果以題“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”發(fā)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(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、懷柔研究部的資助。另外，感謝微加工實(shí)驗(yàn)室楊海方老師在電子束曝光等方面的細(xì)心指導(dǎo)和幫助。物理所E03組博士研究生張珺玚為第一作者。