表面粗度探测器

记者从北京大学获悉，该校马仁敏研究员和戴伦教授合作，实现了一种新型激光增强表面等离激元探测技术。　　这种新型探测技术的强度探测品质因子比传统的表面等离激元(SPR)探测器高400倍左右。同时成本低，尺寸仅为微米量级，在一根头发丝的端面上即可制备数以千计的探测器。　　“该探测器所具有的极高灵敏度、低成本和小体积的特点可能会使其在疾病的早期诊断、公共场所的安全监测和环境食品卫生等领域发挥重要的作用。”马仁敏说。　　表面等离激元是一种局域在金属介质界面的局域电磁模式，通过将光频段的电磁波与贵金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在很小的尺度内，其振荡频率对周围环境非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元共振模式的变化形成的表面等离激元探测器是一种实时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环境监控等领域取得了非常大的成功。　　马仁敏说，用于产生等离激元共振的金属中自由电子的振荡所带来的欧姆损耗在传统的等离激元探测器中不可避免，从基本物理原理上来讲，是进一步提高探测器灵敏度的障碍。马仁敏研究小组将激光原理引入到了表面等离激元探测器中，利用激光中的受激辐射光放大补偿了欧姆损耗，在前期气相超灵敏爆炸物检测的基础上(Nature Nanotechnology, 2014)，实现了液相激光增强表面等离激元(LESPR)探测器。　　新的探测器主要包括金属层和增益介质层，增益介质层形成在金属层上 在增益介质层和金属层的界面上形成表面等离激元模式，此模式由增益介质层的边界限制从而形成表面等离激元激光腔 待测液体覆盖在增益介质层上 激发光经过待测液体入射至增益介质层，增益介质在激发光的泵浦下产生受激辐射，经由激光腔反馈放大产生表面等离激元激光，该表面等离激元激光的波长和强度与待测液体的折射率有关。　　在实验中应用了戴伦教授合成的发光波长在700纳米左右的硒化镉纳米晶体作为增益材料，其发光波长正好位于生物组织和水散射和吸收较小的700纳米到900纳米的窗口波长。相比于通常应用于等离激元激光中的金属银，他们使用了金。　　“金虽然具有较高的欧姆损耗，但其化学性质远比银稳定，适合应用于生物和其他复杂环境的应用。”戴伦教授说。　　在实验中，除了预期的激光效应补偿欧姆损耗使得等离激元共振的谐振线宽显著变窄意外，他们还发现激光增强表面等离激元探测器具有传统表面等离激元探测器所不具有的高斯光谱线型和无背景辐射的优点。　　“这些特点使激光增强表面等离激元探测器具有高达84000的强度探测品质因子，比传统的表面等离激元探测器的强度探测的品质因子高400倍左右。”马仁敏说，“同时，因为使用了微腔效应，整个激光增强表面等离激元探测器的尺寸仅为微米量级，在一根头发丝的端面上即可制备数以千计的探测器，具有低成本、小型化、规模化集成的优点。”　　该工作目前已被领域内的知名期刊Nanophotonics接收发表，北京大学博士后王兴远，博士生王逸伦和王所为文章共同第一作者，马仁敏研究员和戴伦教授为通讯作者。同时他们也为该探测器申请了发明专利。

红外辐射(760nm-30μm)作为电磁波的一种，蕴含着物体丰富的信息。红外光电探测器在吸收物体的红外辐射后，通过光电转换、电信号处理等手段将携带物体辐射特征的红外信号可视化。其具有全天候观测、抗干扰能力强、穿透烟尘雾霾能力强、高分辨能力的特点，在国防、天文、民用领域扮演着重要的角色，是当今信息化时代发展的核心驱动力之一，是信息领域战略性高技术必争的制高点。众所周知，波长、强度、相位和偏振是构成光的四大基本元素。其中，光的偏振维度可以丰富目标的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生动、更接近人眼接收到的图像。因此偏振成像在目标-背景对比度增强、水下成像、恶劣天气下探测、材料分类、表面重建等领域有着重要应用。在短波红外领域，InGaAs/InP材料体系由于其带隙优势，低暗电流，和室温下的高可靠性已经得到了广泛的应用。目前，一些关于短波偏振探测技术的研究已经在平面型InGaAs/InP PIN探测器上开展。然而，平面结构中所必须的扩散工艺导致的电学串扰使得器件难以向更小尺寸发展。同时，平面结构中由对准偏差导致的偏振相关的像差效应也不可避免。与平面结构相比，深台面结构在物理隔离方面具有优势，具有克服上述不足的潜力。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心E03组长期从事化合物半导体材料外延生长与器件制备的研究。E03组很早就开始了对近红外及短波红外探测器材料与器件的研究，曾研制出超低暗电流的硅基肖特基结红外探测器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究过短波红外面阵探测器小像元之间的暗电流抑制及串扰问题【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03组研究团队的张珺玚博士生在陈弘研究员，王文新研究员，邓震副研究员地指导下，针对光的偏振成像，并结合亚波长光栅制备技术，片上集成了一种台面型InGaAs/InP基PIN短波红外偏振探测器原型器件。该原型器件具有的深台面结构可以有效地防止电串扰，使其潜在地实现更小尺寸短波红外偏振探测器的制备。图1是利用湿法腐蚀和电子束曝光等微纳加工技术制备红外探测器及亚波长光栅的工艺流程。图2和图3分别是制备完成后的红外探测器光学显微镜图片和不同取向的亚波长光栅结构SEM图片。图1. 集成有亚波长Al光栅的台面型InGaAs PIN基偏振探测器的工艺流程示意图。图2. 两种台面尺寸原型器件的光学显微镜图片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。图3. 四种角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光栅形貌。图4是不同台面尺寸的P1和P0器件(无光栅)在不同条件下的J-V特性曲线和响应光谱。在1550 nm光激发，-0.1 V偏压下，P1和P0器件的外量子效率分别为 63.2% and 64.8%，比探测率D* 分别达到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。图4. InGaAs PIN原型探测器(无光栅)的J-V特性曲线和响应光谱。(a) 无光照下，P1和P0的暗电流密度Jd-V特性曲线；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光电流密度Jph-V特性曲线，插图是-0.1V下光电流密度与入射光功率之间的关系曲线； (d) P1和P0的响应光谱曲线。图5表明器件的偏振特性。从图5可以看出，透射率随偏振角度周期性变化，相邻方向间的相位差在π/4附近，服从马吕斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的消光比分别为18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透过率均超过90%，表明该偏振红外探测器件具有良好的偏振性能。图5. (a) 1550 nm下，无光栅器件和0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的电学信号随入射光极化角度的变化关系；(b) 光栅器件透射谱。综上所述，研究团队制备的台面结构InGaAs PIN探测器，其响应范围为900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探测率为6.28×1011 cmHz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光栅的器件均表现出明显的偏振特性，消光比可达18:1，TM波的透射率超过90%。上述的原型器件作为一种具有良好偏振特性的台面结构短波红外偏振探测器，有望在偏振红外探测领域具有潜在的广泛应用前景。近日，相关研究成果以题“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”发表在Optics Letters【47，6173(2022)】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项、怀柔研究部的资助。另外，感谢微加工实验室杨海方老师在电子束曝光等方面的细心指导和帮助。物理所E03组博士研究生张珺玚为第一作者。

01 研究背景随着红外成像技术的不断发展，市场对红外探测器的灵敏度、红外成像的清晰度要求越来越高。由于氧化钒（VOx）探测器的灵敏度要高于非晶硅，目前已成为非制冷探测器领域的主流路线，氧化钒探测器占据非制冷探测器的比例近七成，部分氧化钒探测器甚至表现出了接近制冷型红外探测器的优异性能。缺点是它不兼容标准的 CMOS 工艺生产线，需要有单独的CMOS工艺生产线。国内外多数企业选择氧化钒技术路线。相比于非晶硅和氧化钒等热红外探测器，工作于短波红外波段的探测器具有极强的天气适应性，穿透雾、霾、烟尘的能力更强，识别度更高，目标细节表达更清晰，有效探测距离更长。同时，短波红外成像技术具有在湿热天气下仍表现良好等优势。常见的铟镓砷（InGaAs）、硫化铅（PbS）和碲镉汞（MCT）等短波红外材料存在有毒（砷化物摄入过量会导致中毒，引起贫血、肠胃炎、肺炎肝炎等疾病；铅中毒会严重影响人体的神经系统、心血管系统、骨骼系统、生殖系统和免疫系统等；汞中毒会导致人体肾脏损害、皮肤损害、神经系统障碍、肌肉震颤、肝肾功能不全等）、大面积污染环境、不兼容标准的CMOS制造工艺、良率低、无法大规模量产、不宜进入消费电子领域等劣势，限制了短波红外成像技术的应用场景。在此背景下，研究院首席科学家、光电集成电路研发中心主任Henry教授长期致力于无毒且环保、大面积均匀性良好、高度兼容CMOS工艺生产线、可大批量生产的红外成像技术，相关技术有望逐渐取代现有红外成像技术的军用市场，并将创造红外成像技术在民用领域的新市场（特别是短波红外成像技术），比如汽车辅助驾驶系统、工业检测、医疗诊断、消费电子、智能安防、森林防火和商业航天等应用，对促进国民经济健康发展具有重大的科学价值和现实意义。02 研究进展近期，Henry教授团队在大尺寸硅衬底上异质外延了高质量的SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料，并采用标准的CMOS制造工艺制备了PIP和PIN两种结构的量子阱红外探测器。结果表明SiGe/Si和GeSi/Ge多量子阱传感材料在长波红外波段展现出了优异的电阻温度系数（如图1所示），超过了商用的氧化钒（VOx）和非晶硅（a-Si）长波红外探测器。同时，GeSi/Ge多量子阱探测器在短波红外波段的光电响应优于Ge半导体材料，它是非常重要的短波红外光电传感材料。相关结果分别以“A SiGe/Si Nanostructure with Graphene Absorbent for Long Wavelength Infrared Detection”和“High-performance GeSi/Ge multi-quantum wells photodetector on a Ge-buffered Si substrate”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials和Optics Letters，两篇论文的第一作者均为Henry教授指导的联合培养博士生王贺，两篇论文的共同通讯作者均为研究院赵雪薇博士、中国科学技术大学胡芹研究员和研究院Henry教授。其中，硅基异质材料外延、探测器设计与制造、实验和表征分析方面均是在Henry教授及其团队成员的通力合作下完成。图1 不同温度下GeSi/Ge MQW探测器（直径为10 μm）：（a）电流-电压特性曲线（b）TCR曲线此外，Henry教授团队创新性的在大尺寸的绝缘体上锗（GOI）晶圆上制备了谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器，证明了谐振腔结构有效的提升了GOI短波红外光电探测器在1550nm波段的光电响应，可与商用的InGaAs短波红外光电探测器相媲美，被认为是颠覆InGaAs短波红外成像技术的重要技术方案（如图2所示）。相关结果以“High-Performance Ge PIN Photodiodes on a 200 mm Insulator with a Resonant Cavity Structure and Monolayer Graphene Absorber for SWIR Detection”为题目发表于国际知名期刊ACS Applied Nano Materials，论文的第一作者为Henry教授指导的博士生余嘉晗，共同通讯作者为研究院赵雪薇博士、研究院苗渊浩副研究员和研究院Henry教授。图2 谐振腔增强型GOI短波红外光电探测器的光响应谱（器件直径为100 μm）综上，Henry教授团队近期开发了多类型兼容CMOS工艺的红外探测器，系统地研究了SiGe/Si多量子阱材料、GeSi/Ge多量子阱材料和GOI谐振腔结构对红外探测器的作用机理，红外探测器的响应度、暗电流、电阻温度系数及量子效率等关键性能指标均处于国际领先水平。此前，Henry教授团队在人民日报展示了应变GOI短波红外成像芯片的高清晰成像效果，实现了廉价且高性能的短波红外成像技术的范式创新，突破了现有技术在民用消费领域的新市场，具有非常重要战略意义与现实价值。迄今为止，Henry教授团队围绕红外成像晶圆、红外探测器结构与制造工艺、红外成像芯片以及芯片集成方法等方面进行了全方位的专利布局，旨在形成完善的专利池。03 Henry H. Radamson院士简介Henry教授，“中国政府友谊奖”获得者，“广东省友谊奖”获得者，欧洲科学院院士，国际知名的纳米光子学、电子学和半导体光电材料研究领域专家，欧洲材料研究协会（E-MRS）执行主席，Springer-Nature期刊编辑，Fundamental Research期刊编委，在国际会议和重要学术期刊上发表了250余篇高水平论文。2023年，Henry教授撰写了名为《Analytical methods and instruments for micro-and nanomaterials》的英文书籍（研究院为第一单位），这本书详细介绍了用于表征纳米结构材料的分析仪器，提供了评估材料质量、缺陷、表面和界面状态、元素分布、应变、晶格畸变以及电光特性的方法。广东省人民政府给Henry教授颁发了2022年度“广东省友谊奖”，感谢Henry教授对促进广东省经济社会发展和对外交流合作做出的重要贡献。Henry教授经广东省人民政府推荐，荣获2023年度中国政府友谊奖，国务院总理李强于2024年2月4日下午在人民大会堂亲切会见了在华工作的外国专家代表，Henry教授作为获奖者受邀参加了座谈。