紅外探測(cè)器正瞄準(zhǔn)長(zhǎng)波長(zhǎng)應(yīng)用
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器件制作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究人員采用三維非線性有限元方法（FEM）進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)設(shè)計(jì)層結(jié)構(gòu)和FOCUS器件架構(gòu)，然后，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)外延層，利用電子束刻蝕的方法構(gòu)造晶片的納米尺度特征。電子束蒸發(fā)器用于將金屬沉積在這些納米特征上，金屬膜同時(shí)還在接下來(lái)的刻蝕步驟中起到硬質(zhì)掩膜的作用：首先對(duì)特征進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，然后進(jìn)行濕法刻蝕，最終形成納米注入?yún)^(qū)。納米注入?yún)^(qū)周圍的空白區(qū)充滿鈍化以及平化藥劑（聚酰亞胺或氧化物），以改善表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。最后的鍍金屬步驟用于制作電子集成所需的金屬電極。
研究人員制作了直徑從100nm到5祄的圓形FOCUS器件并進(jìn)行了測(cè)試。這些器件的目標(biāo)應(yīng)用主要在近紅外波段。在一套定制的準(zhǔn)直系統(tǒng)中，研究人員對(duì)暗電流、光電流、光增益、空間靈敏度、帶寬、瞬態(tài)響應(yīng)以及額外噪聲等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。被測(cè)FOCUS器件均在低于2V的偏壓下工作。
在暗電流以及光電流測(cè)試中，研究人員使用準(zhǔn)直的連續(xù)波激光器作為光源。測(cè)量結(jié)果表明：FOCUS器件的光學(xué)響應(yīng)得到了顯著提高，同時(shí)暗電流的值與目前最先進(jìn)的雪崩光電探測(cè)器相近（見圖2）。在低偏壓條件下，小型FOCUS器件可以獲得超過(guò)4000的穩(wěn)定增益，這比現(xiàn)有的其他單光子探測(cè)器提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，F(xiàn)OCUS探測(cè)器所必需的偏置電壓要比雪崩光電探測(cè)器所需的偏置電壓（可以高達(dá)50V）低很多。對(duì)于空間靈敏度的測(cè)量，研究人員使用了一套自動(dòng)裝置，測(cè)量結(jié)果顯示：FOCUS探測(cè)器能夠收集到距納米注入?yún)^(qū)6～7祄處的載流子，這一結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了研究人員之前的理論模擬預(yù)言。
圖2. 電流-電壓特性曲線顯示了直徑為5祄的圓形FOCUS探測(cè)器（在室溫下工作，未冷卻）在不同光照條件下的工作性能研究人員在不同的加工階段對(duì)FOCUS探測(cè)器的帶寬進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)帶寬對(duì)表面質(zhì)量具有明顯的依賴關(guān)系，這與具有極高表體比的納米器件的預(yù)期相符。非鈍化器件的帶寬可達(dá)到400kHz，而某些特殊鈍化器件的帶寬可超過(guò)300MHz。然而，帶寬的增加通常伴隨著增益的下降，這意味著增益帶寬積為一常數(shù)，該值超過(guò)3GHz。雪崩光電探測(cè)器由于載流子在深勢(shì)阱中壽命較長(zhǎng)，以及相關(guān)的后脈沖會(huì)導(dǎo)致帶寬受限；與之相比，F(xiàn)OCUS探測(cè)器并沒有顯示出這種不期望的副作用。
由于不同形式的鈍化之間存在差別，因此可以在增益和帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡。與帶寬結(jié)果相關(guān)聯(lián)，研究人員還使用超快飛秒脈沖激光器以及光學(xué)衰減器進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量。取平均之后，便能區(qū)分出對(duì)應(yīng)于五光子光電效應(yīng)的電脈沖。
研究人員使用定制的非線性FEM模擬程序在近紅外波段對(duì)FOCUS器件進(jìn)行設(shè)計(jì)以及數(shù)值模擬。我們相信：隨著人們對(duì)納米尺度效應(yīng)的進(jìn)一步理解、改進(jìn)相應(yīng)的制作步驟，以及將加工過(guò)程拓展到長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外波段，F(xiàn)OCUS器件將得到進(jìn)一步改善。
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評(píng)論