一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器
【图文】：
llinfraredphoto-detector，QWIP)作为20世纪90年代发展起来的第三代红外探测器，具有材料生长工艺成熟、器件均匀性好、光响应速度快及波长连续可调等优点［1-2］，在国防、航空航天、天文观测和民用领域等有广阔的应用前景［3］．QWIP基于量子阱的子带跃迁，即在吸收外界光子后电子从阱内的基态跃迁到第一激发态进而形成光电流来实现红外探测．由于量子阱的一维限制结构(电子在材料生长方向上受限)，只有电场分量沿着量子阱生长方向的入射光才能被其吸收［4］．因此，QWIP存在着如何耦合外界光的问题．图1(a)为最简单的光耦合方式———布儒斯特角耦合［5］，器件响应和量子效率非常低;图1(b)为45o边耦合［6-7］，即入射光从器件边缘打磨出的45o斜面入射，这种方式不适用于大规模的焦平面阵列;此外，在器件表面制作出金属或介质光栅、随机发射层或波纹层后，器件可以实现光栅耦合［8-10］、随机反射耦合［11］或波纹耦合［12］，如图1(c)、1(d)和1(e)所示．由于QWIP的子带跃迁工作模式，其量子效率较带间跃迁红外探测器偏小．因此，为提高QWIP的量子效率，一些具有电磁共振效果的光耦合结构被广泛采用．图1(f)展示了一种光子晶体耦合结构［13］，它可以实现器件的窄带增强响应;图1(g)和1(h)分别为金属二维孔洞阵列耦合结构［14］和金属-绝缘体-金属微腔耦合结构［15］，，同样可以提高器件的量子效率．值得指出的是，由于利用耦合结构的共振模式，这些QWIP只能实现窄带的响应增强．我们提出一种管状的量子阱红外探测器(tubularQWIP)，其无需额外的结构就能直接吸收垂直入射光，并具有宽视角和宽频率的响应特点［16］．本工作介绍了三维管状量子阱红外探测器件的设计和制
红外与毫米波学报36卷图3(a)平面和管状器件在60K下的暗电流谱，(b)平面和管状器件在60K温度下黑体响应随偏置电压的变化特性．插图表明外界光垂直照射到器件表面Fig．3(a)Darkcurrentspectraoftheplanarandtubularde-vicesat60K，(b)Plotoftheblackbodyresponseasafunctionofthebiasoftheplanarandtubulardevicesat60K．Theinsetsshowthatthedevicesareverticallyilluminatedbytheexternallight克常数，c为真空中的光速．计算得知，管状器件在0．45V偏压下的峰值量子效率为2．3%．在传统的量子阱红外探测器中，单周期量子阱的量子效率一般不超过1%［5-6，18］，即小于管状器件的值，表明了三维管状结构能够有效地耦合垂直入射光．图5中，偏置电压的变化同时引起了器件峰值响应波长的微小偏移(如虚线所示)，这是由于应变薄膜卷成微管后，材料应变态的变化导致了量子阱的能带边发生偏移［19］，进而当改变外加电场时，量子阱内的能级发生变化即器件响应峰产生微小移动．2．2管状器件不同入射角下的光响应对于管状QWIP器件，当入射光垂直入射时，如图5器件光吸收示意图和插图所示，射向微管侧壁的光线与管壁/空气界面处的法线成夹角θ(入射角)，在经过管壁折射后仍以θ(出射角)进入到微管空腔;光在穿越管壁内的量子阱区域过程中，一部分图4不同偏压下管状器件的光电流响应率随波长的变化关系Fig．4Photocurrentresponsivityasafunctionofthewave-lengthofthetubulardeviceunderdifferentbiases电场分量平行于法线方向的折射光It会被量子阱吸收并形成光电流．并且，进入到空腔内的光束穿出管壁时会被再次吸收．由于微管的近似圆形对称结构，仅有射向微管顶部的少量入射光无法被量子阱吸收．因此，三维管状QWIP展现
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