红外探测器正瞄准长波长应用
器件制作与实验结果
研究人员采用三维非线性有限元方法（FEM）进行数值模拟，来设计层结构和FOCUS器件架构，然后，采用金属有机化学气相沉积的方法生长外延层，利用电子束刻蚀的方法构造晶片的纳米尺度特征。电子束蒸发器用于将金属沉积在这些纳米特征上，金属膜同时还在接下来的刻蚀步骤中起到硬质掩膜的作用：首先对特征进行反应离子刻蚀，然后进行湿法刻蚀，最终形成纳米注入区。纳米注入区周围的空白区充满钝化以及平化药剂（聚酰亚胺或氧化物），以改善表面质量和结构完整性。最后的镀金属步骤用于制作电子集成所需的金属电极。
研究人员制作了直径从100nm到5祄的圆形FOCUS器件并进行了测试。这些器件的目标应用主要在近红外波段。在一套定制的准直系统中，研究人员对暗电流、光电流、光增益、空间灵敏度、带宽、瞬态响应以及额外噪声等参数进行了测量。被测FOCUS器件均在低于2V的偏压下工作。
在暗电流以及光电流测试中，研究人员使用准直的连续波激光器作为光源。测量结果表明：FOCUS器件的光学响应得到了显著提高，同时暗电流的值与目前最先进的雪崩光电探测器相近（见图2）。在低偏压条件下，小型FOCUS器件可以获得超过4000的稳定增益，这比现有的其他单光子探测器提高了几个数量级。此外，FOCUS探测器所必需的偏置电压要比雪崩光电探测器所需的偏置电压（可以高达50V）低很多。对于空间灵敏度的测量，研究人员使用了一套自动装置，测量结果显示：FOCUS探测器能够收集到距纳米注入区6～7祄处的载流子，这一结果也进一步证实了研究人员之前的理论模拟预言。
图2. 电流-电压特性曲线显示了直径为5祄的圆形FOCUS探测器（在室温下工作，未冷却）在不同光照条件下的工作性能研究人员在不同的加工阶段对FOCUS探测器的带宽进行了测试，发现带宽对表面质量具有明显的依赖关系，这与具有极高表体比的纳米器件的预期相符。非钝化器件的带宽可达到400kHz，而某些特殊钝化器件的带宽可超过300MHz。然而，带宽的增加通常伴随着增益的下降，这意味着增益带宽积为一常数，该值超过3GHz。雪崩光电探测器由于载流子在深势阱中寿命较长，以及相关的后脉冲会导致带宽受限；与之相比，FOCUS探测器并没有显示出这种不期望的副作用。
由于不同形式的钝化之间存在差别，因此可以在增益和带宽之间进行权衡。与带宽结果相关联，研究人员还使用超快飞秒脉冲激光器以及光学衰减器进行了瞬态响应测量。取平均之后，便能区分出对应于五光子光电效应的电脉冲。
研究人员使用定制的非线性FEM模拟程序在近红外波段对FOCUS器件进行设计以及数值模拟。我们相信：随着人们对纳米尺度效应的进一步理解、改进相应的制作步骤，以及将加工过程拓展到长波红外和远红外波段，FOCUS器件将得到进一步改善。
参考文献：
1. A. Rogalski, Progress in Quant. Electronics 27(2-3) 59 (2003).
2. A. Lacaita et al., Applied Optics 35(16) 2986 (1996).
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4. S. Hecht et al., J. Gen. Physiol. 25(6) 819 (1942). (end)
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