Advanced Materials Technologies: 基于胶体碲化汞量子点的表面等离子体增强集成红外探测器

 在过去的二十年里,硅光集成电路在光通信系统,光电探测电路,以及光感应领域都取得了飞速发展。最近,随着光谱感应、非线性光学、生物传感、气体检测等应用的兴起,集成硅光波导在2-20 µm波段的探测吸引了多方面的关注。然而,现有主流红外探测技术主要依赖传统外延生长的窄带半导体(如InGaAs, HgCdTe等)作为感光材料。由于其工艺成本高,直接和硅基衬底结合困难,且常常需要外部冷却系统控制噪声,因此实现片上集成困难重重。一些先进的二维材料,如石墨烯和黑磷,已成功和硅光波导结合实现中红外探测,但目前受制于无法大规模生产和容易氧化等问题,实现产业化仍有困难。利用化学合成方法制备的胶体HgTe量子点材料,其响应谱在整个红外波段连续可控,且适配于低成本液相沉积工艺。基于该材料的自由空间光电探测器已在2 µm以上波段实现了室温下高灵敏度探测。因此,利用HgTe量子点材料,有可能实现在室温下工作、能与CMOS工艺兼容、可大规模制造、在红外波段工作的片上集成波导光电探测器。    

近日,香港中文大学电子工程学系的赵铌教授课题组、曾汉奇教授课题组联合香港城市大学的Andrey L. Rogach教授课题组,采用表面等离子波波导作为光电探测的光学结构,利用胶体HgTe量子点作为感光材料,实现了室温下的超小型片上集成红外光电探测器。在该工作中,研究人员选用金属-绝缘体-金属结构制作表面等离子波波导,并与硅基波导集成为统一的光电探测系统。此后利用简单旋涂沉积方法,将胶体HgTe量子点和上述表面等离子波波导进行结合。探测时,红外光被约束于表面等离子波波导模式中,这不仅可以减小光波导的面积(相较于传统的半导体光波导,如硅波导),同时还能够增强光探测效率。在室温下2300 nm 波段,该器件在2.14 W/mm2等效照度下实现了23 mA/W的光响应率和8.7×10-11 W/Hz-1/2的噪声等效功率,而器件尺寸仅为15 µm×0.35 µm。和基于二维材料的集成型红外探测器件相比,本探测器的噪声水平较低,在小信号探测上更具优势。凭借其与CMOS技术的良好兼容性和紧凑的器件结构,这种光电探测器设计将在工作于2 µm以上波段的集成光学芯片的实时光信号监测方面具有广阔的应用前景。相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201900354),陈孟瑜博士、赵铌教授、曾汉奇教授为通讯作者,第一作者为朱冰青博士。