紅外輻射（760nm-30μm）是電磁波的一種，蘊(yùn)含物體豐富的信息。在吸收物體的紅外輻射后，紅外光電探測(cè)器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段將攜帶物體輻射特征的紅外信號(hào)可視化。紅外光電探測(cè)器具觀(guān)測(cè)全天候、抗干擾能力強(qiáng)、穿透煙塵霧霾能力強(qiáng)、分辨能力高的特點(diǎn)，在天文、民用等領(lǐng)域具有重要作用，是當(dāng)今信息化時(shí)代發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力之一，也是信息領(lǐng)域戰(zhàn)略性高技術(shù)必爭(zhēng)的制高點(diǎn)。波長(zhǎng)、強(qiáng)度、相位和偏振是構(gòu)成光的四大基本元素。其中，光的偏振維度可豐富目標(biāo)的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生動(dòng)、更接近人眼接收到的圖像。因此偏振成像在目標(biāo)-背景對(duì)比度增強(qiáng)、水下成像、惡劣天氣下探測(cè)、材料分類(lèi)、表面重建等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在短波紅外領(lǐng)域，InGaAs/InP材料體系因帶隙優(yōu)勢(shì)，暗電流低，室溫下可靠性高已被廣泛應(yīng)用。目前，一些關(guān)于短波偏振探測(cè)技術(shù)的研究已在平面型InGaAs/InP PIN探測(cè)器上開(kāi)展。然而，平面結(jié)構(gòu)中所必須的擴(kuò)散工藝導(dǎo)致的電學(xué)串?dāng)_使得器件難以向更小尺寸發(fā)展。同時(shí)，平面結(jié)構(gòu)中由對(duì)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的偏振相關(guān)的像差效應(yīng)也無(wú)法避免。與平面結(jié)構(gòu)相比，深臺(tái)面結(jié)構(gòu)在物理隔離方面更具優(yōu)勢(shì)，有克服上述不足的潛力。 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心E03組致力于化合物半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)與器件制備的研究：對(duì)近紅外及短波紅外探測(cè)器材料與器件開(kāi)展研究，研制出超低暗電流的硅基肖特基結(jié)紅外探測(cè)器（Photonics Research，8，1662，2020），探索短波紅外面陣探測(cè)器小像元之間的暗電流抑制及串?dāng)_問(wèn)題（Results in Optics，5，100181，2021）等。近日，科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)光的偏振成像，并結(jié)合亞波長(zhǎng)光柵制備技術(shù)，片上集成了臺(tái)面型InGaAs/InP基PIN短波紅外偏振探測(cè)器原型器件。該原型器件具深臺(tái)面結(jié)構(gòu)，可有效地防止電串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)更小尺寸短波紅外偏振探測(cè)器的制備。

　　科研人員利用濕法腐蝕和電子束曝光等微納加工技術(shù)制備了紅外探測(cè)器及亞波長(zhǎng)光柵（圖1）。圖2和圖3分別是制備完成后的紅外探測(cè)器光學(xué)顯微鏡圖片和不同取向的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)SEM圖片。圖4是不同臺(tái)面尺寸的P1和P0器件(無(wú)光柵)在不同條件下的J-V特性曲線(xiàn)和響應(yīng)光譜。在1550 nm光激發(fā)，-0.1 V偏壓下，P1和P0器件的外量子效率分別為 63.2% 和 64.8%，比探測(cè)率D*分別達(dá)到 6.28×10¹¹ cm·Hz^1/2/W 和6.88×10¹¹ cm·Hz^1/2/W（圖4），表明了原型器件的高性能。圖5表明器件的偏振特性。從圖5可以看出，透射率隨偏振角度周期性變化，相鄰方向間的相位差在π/4附近，服從馬呂斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亞波長(zhǎng)光柵器件的消光比分別為18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透過(guò)率均超過(guò)90%，表明該偏振紅外探測(cè)器件具有良好的偏振性能。

　　綜上所述，科研團(tuán)隊(duì)制備的臺(tái)面結(jié)構(gòu)InGaAs PIN探測(cè)器，響應(yīng)范圍為900 nm～1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探測(cè)率為6.28×10¹¹ cm·Hz^1/2/W。此外，0°、45°、90°和135°光柵的器件均表現(xiàn)出明顯的偏振特性，消光比可達(dá)18:1，TM波的透射率超過(guò)90%。該原型器件作為具良好偏振特性的臺(tái)面結(jié)構(gòu)短波紅外偏振探測(cè)器，有望在偏振紅外探測(cè)領(lǐng)域具廣泛的應(yīng)用前景。

　　相關(guān)研究成果以Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings為題發(fā)表在《光學(xué)通信》（Optics Letters）上。研究工作得到國(guó)家基金委重大項(xiàng)目、國(guó)家基金委青年基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心懷柔研究部的支持。

　　論文鏈接 

圖1. 集成有亞波長(zhǎng)Al光柵的臺(tái)面型InGaAs PIN基偏振探測(cè)器的工藝流程示意圖。

圖2. 兩種臺(tái)面尺寸原型器件的光學(xué)顯微鏡圖片（a）403 μm×683 μm（P1），（b）500 μm×780 μm（P0）。

圖3. 四種角度（a）0°，（b）45°，（c）90°，（d）135° Al光柵形貌。

　　圖4. InGaAs PIN原型探測(cè)器（無(wú)光柵）的J-V特性曲線(xiàn)和響應(yīng)光譜。（a）無(wú)光照下，P1和P0的暗電流密度J_d-V特性曲線(xiàn)；不同入射光功率下，（b）P1和（c）P0的光電流密度J_ph-V特性曲線(xiàn)，插圖是-0.1V下光電流密度與入射光功率之間的關(guān)系曲線(xiàn)；（d） P1和P0的響應(yīng)光譜曲線(xiàn)。

圖5.（a）1550 nm下，無(wú)光柵器件和0°、 45°、90°和135°亞波長(zhǎng)光柵器件的電學(xué)信號(hào)隨入射光極化角度的變化關(guān)系；（b）光柵器件透射譜。