介绍一种具有GFPT微结构的T2SL探测器
据麦姆斯咨询报道，近日，一支由中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国科学院半导体研究所、南京大学等机构组成的研究团队在optics express期刊上发表了题为“gradual funnel photon trapping enhanced inas/gasb type-ii superlattice infrared detector”的最新论文，文中提出了一种具有渐变漏斗光子捕获（gfpt）微结构的中红外inas/gasb ii类超晶格（t2sl）探测器，利用gfpt结构增强光吸收和降低暗电流噪声显著提高了探测器性能，其黑体探测率在78k时达到了1.51×10¹¹cm·hz1/2。
图1 gfpt结构t2sl探测器示意图
红外探测器已被广泛应用于物体识别、癌症检测等领域。目前，中红外光敏材料主要包括碲镉汞（hgcdte）合金和iii-v t2sl。hgcdte合金在器件性能方面具有一些优势，但其低成品率和高成本限制了其可用性。inas/gasb t2sl材料具有较小的隧穿电流和受抑制的auger复合机制，是hgcdte的可能替代品，但其光吸收系数低于hgcdte合金。
近年来，人们研究了利用介电、表面金属和三维等离子腔结构等微结构来增强材料的光吸收。然而，表面金属微结构增加了材料的光学损耗，三维等离子体腔微结构需要对材料外延结构进行修改。
相比之下，介电结构是增强材料有效光吸收和光电转换的可靠解决方案。j. budhu等人将t2sl探测器耦合到si介电天线中，以增强材料的光吸收。c. y. ilguo等人使用中红外t2sl材料设计了一种介电谐振结构，在可见光谱中实现响应增强。
随后，c. guo等人提出了一种具有m势垒的介电光子捕获t2sl探测器，该探测器在近红外波段的响应度为0.86a/w。然而，光子俘获结构在探测器中形成了晶体缺陷和悬垂键，这增加了器件的泄漏暗电流。此外，在诸如pin和pmin等t2sl材料中，只有耗尽区附近的光子才转换为光电流。
在探测器上制造合适的光子捕获结构是一个挑战。因此，中红外t2sl探测器中需要一种新的光子捕获结构，使其具有更好的光捕获性能和更方便的钝化以降低暗电流。 基于此，本论文的作者们提出了一种具有gfpt结构的中红外t2sl探测器。
gfpt探测器具有二维周期性渐变漏斗孔，用于有效捕光。在gfpt探测器中使用原子层沉积表面钝化，在78k时的探测率达到1.51×10¹¹cm·hz1/2。由于使用了gfpt结构，探测器性能显著提高，实现了30%的宽带光吸收增强，并使暗电流噪声降低了3倍。
器件制备
他们使用标准光刻法和湿法蚀刻制造了gfpt结构的中红外t2sl探测器，器件的制造工艺流程如图1所示。使用磁控溅射沉积ti/au（30å/500å）形成顶部和底部金属接触电极。随后，用柠檬酸将gfpt结构蚀刻（0.8μm深）至t2sl吸收区。
蚀刻掩模是一个通过激光直写在t2sl材料表面形成的20nm厚的s1805光刻胶孔。接下来，三甲基铝预处理和ald沉积的70nm al2o3介电层分别作为化学钝化和物理保护。最后，使用n2等离子体蚀刻打开通过al2o3钝化层的窗口，以便接触金属电极。
图2 gfpt结构t2sl探测器的制造工艺流程示意图
器件测试结果
图3（a）为gfpt探测器和参考探测器的傅里叶吸收光谱。当波长为2∼5µm时，gfpt探测器增加了20%∼40%的光吸收。利用600k黑体源，对gfpt探测器和参考探测器的响应度进行了表征。两种探测器的响应度与施加偏压的函数关系如图3（b）所示，其中gfpt探测器具有更高的响应度，并且在低偏压下表现出饱和。图3（c）显示了两种探测器在-0.1v下对黑体源周期性斩波的光响应。gfpt探测器和参考探测器的响应度分别为1.36a/w和1.01a/w。
图3 gfpt结构t2sl探测器的性能表征
探测器的噪声可以用暗电流特性来描述。图4（a）为gfpt探测器的温度相关暗电流密度。从78k到300k，由于热载流子生成复合和扩散行为随温度升高而增强，器件的暗电流密度在-0.1v时增加了四个数量级。在-0.1v电压下，gfpt探测器和参考探测器的暗电流密度分别为2.63×10⁻⁴a/cm²和9.63×10⁻⁴a/cm²，如图4（b）所示。
与参考探测器相比，gfpt器件的暗电流减少了大约三倍。它证实了ald沉积对gfpt结构钝化的有效性。gfpt阵列带来的体积减小可以降低探测器的背景电流，如图4（c）所示。在100k时，与参考器件相比，暗电流减少了20%。随着温度的升高，暗电流在140k时可迅速减少81%。
图4 gfpt结构t2sl探测器的暗电流特性
结论
综上所述，本文提出了一种具有gfpt微结构的t2sl探测器，它可以通过增强30%的广谱吸收和3倍的暗电流抑制来显著提高探测器的性能。该gfpt探测器的黑体探测率在78k时达到了1.51×10¹¹cm·hz1/2。本研究提供了一种微结构来改善光吸收并降低暗电流噪声，从而进一步提高光电探测器的探测率。
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随后，c. guo等人提出了一种具有m势垒的介电光子捕获t2sl探测器，该探测器在近红外波段的响应度为0.86a/w。然而，光子俘获结构在探测器中形成了晶体缺陷和悬垂键，这增加了器件的泄漏暗电流。此外，在诸如pin和pmin等t2sl材料中，只有耗尽区附近的光子才转换为光电流。
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