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加州大学和英国卡迪夫大学开发纳米线中短波红外光电二极管

(2019-08-01 10:56:52)
标签:

二极管

加州大学

英国卡迪夫大学

分类: 电子元器件

本文主要介绍加州大学和英国卡迪夫大学开发纳米线中短波红外光电二极管,加州大学洛杉矶分校(UCLA)和英国卡迪夫大学(Cardiff University)的研究人员采用一种新方法解决了这个问题。

加州大学和英国卡迪夫大学开发出非制冷“纳米线”中短波红外光电二极管

科学家们发明的室温非制冷SWIR和MWIR探测器由垂直生长于磷化铟(InP)衬底的InAs或InAsSb纳米线阵列组成,使纳米线与衬底的结合产生InAs-InP异质结。然后可覆盖一层氧化铝(Al2O3)来钝化该结构,从而降低纳米线表面的非辐射复合。磷化铟衬底上的InAs和InAsSb纳米线可形成适用于焦平面阵列的室温SWIR或MWIR光电二极管。

从军事领域(根据导弹产生的热量定位导弹)、科学领域(遥感、光谱学)到环境领域(气体监测、穿透雾霾),包括焦平面阵列(FPA)在内的短波红外(SWIR)和中波红外(MWIR)传感器使许多重要的红外传感和成像应用成为可能。然而,现有的实用型SWIR和MWIR传感器都存在一个明显缺陷:需要制冷。

这包括了基于锑化铟(InSb)、碲镉汞(MCT)和砷化铟/锑化镓(InAs/GaSb)以及类超晶格FPA传感器。对冷却系统的需求增加了器件的体积,特别是对微小尺寸的光电探测系统来说,这将显着增加成本和维护需求。

计算机模拟显示,与平面非制冷InAs光电二极管相比,非制冷InAs(Sb)-InP纳米线异质结光电二极管的等离子体模式共振峰值D*可在3.0μm波长时达到3.5 × 1010 cm Hz1/2W-1,这比平面光电二极管高了近10倍。

研究人员基于之前开发的标准工艺制备出了纳米线光电探测器,使纳米线在适当波长范围内生长于为光电探测优化的图案上,然后用Al2O3钝化。

接着去除纳米线尖端的钝化涂层。利用纳米线本身作为阴影掩膜,将金沉积在纳米线承载表面上,再在金上制作一系列纳米孔,就形成等离子体光栅(如下图)。这种光栅非常重要:其作用是通过等离子体共振来增强入射光与纳米线尖端的耦合。

示例中,SWIR器件的制造有效面积为200×200μm2。探测器表面包含1300nm间距、264nm直径和1650nm高度的纳米线。该器件的室温光谱响应峰值约在2.0和3.4μm,与等离子体共振相当。

加州大学和英国卡迪夫大学开发出非制冷“纳米线”中短波红外光电二极管

为实现在纳米线阵列(如图a)上生长金光栅,纳米线本身(垂直生长)被用作阴影掩膜,以一定角度将金沉积到表面,会导致未沉积区域(暗区)。未来基于纳米线的分离吸收倍增结构雪崩光电二极管(SAM-APD)将具有有刻面的纳米线,以帮助缓解晶格失配应变(如图b)。

加州大学洛杉矶分校的研究人员Dingkun Ren表示,未来基于纳米线的红外探测器将包含光子晶体光栅。这提供一种更好的方法来调整器件的峰值波长。

在目前的自组装等离子体结构中,等离子体峰值波长是通过改变纳米线间距(即纳米线到纳米线的距离)来调谐的。然而,控制不同纳米线间距阵列上的生长均匀性是非常困难的。在新型的光子晶体光栅结构中,将通过改变气孔间距(airhole)来设计峰值,这可以简单地通过光刻工艺进行控制。Ren说,“这是一种更强大的光学设计!”

该研究团队还在设计SAM-APD,这是基于纳米线和金属光子晶体光栅的MWIR APD。这些器件可以在线性模式下工作,并通过内部增益进一步提高信噪比(SNR)。

由于没有可用的晶格匹配的大带隙材料来制备SAM-APD结构,因此在纳米线生长过程中,通过纳米线侧壁面弹性调节应变,可以实现具有大晶格失配的异质外延。

以上就是加州大学和英国卡迪夫大学开发纳米线中短波红外光电二极管,希望对各位有帮助。

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