紅外探測器正瞄準長波長應(yīng)用
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器件制作與實驗結(jié)果
研究人員采用三維非線性有限元方法（FEM）進行數(shù)值模擬，來設(shè)計層結(jié)構(gòu)和FOCUS器件架構(gòu)，然后，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積的方法生長外延層，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，金屬膜同時還在接下來的刻蝕步驟中起到硬質(zhì)掩膜的作用：首先對特征進行反應(yīng)離子刻蝕，然后進行濕法刻蝕，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器件并進行了測試。這些器件的目標應(yīng)用主要在近紅外波段。在一套定制的準直系統(tǒng)中，研究人員對暗電流、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)進行了測量。被測FOCUS器件均在低于2V的偏壓下工作。
在暗電流以及光電流測試中，研究人員使用準直的連續(xù)波激光器作為光源。測量結(jié)果表明：FOCUS器件的光學(xué)響應(yīng)得到了顯著提高，同時暗電流的值與目前最先進的雪崩光電探測器相近（見圖2）。在低偏壓條件下，小型FOCUS器件可以獲得超過4000的穩(wěn)定增益，這比現(xiàn)有的其他單光子探測器提高了幾個數(shù)量級。此外，F(xiàn)OCUS探測器所必需的偏置電壓要比雪崩光電探測器所需的偏置電壓（可以高達50V）低很多。對于空間靈敏度的測量，研究人員使用了一套自動裝置，測量結(jié)果顯示：FOCUS探測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)果也進一步證實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FOCUS探測器的帶寬進行了測試，發(fā)現(xiàn)帶寬對表面質(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到400kHz，而某些特殊鈍化器件的帶寬可超過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3GHz。雪崩光電探測器由于載流子在深勢阱中壽命較長，以及相關(guān)的后脈沖會導(dǎo)致帶寬受限；與之相比，F(xiàn)OCUS探測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)衰減器進行了瞬態(tài)響應(yīng)測量。取平均之后，便能區(qū)分出對應(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FOCUS器件進行設(shè)計以及數(shù)值模擬。我們相信：隨著人們對納米尺度效應(yīng)的進一步理解、改進相應(yīng)的制作步驟，以及將加工過程拓展到長波紅外和遠紅外波段，F(xiàn)OCUS器件將得到進一步改善。
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