基于纳米天线增强效应的新型短波红外探测器研究

Shortwave infrared detector has been widely used in weak signal detection fields like space remote sensing and astronomical observation. Nowadays the infrared detection system requires high performance detector, but it is very difficult to further improve detector performance by conventional methods. It is necessary to seek solutions based on frontier science. Optical nanoantenna has been a hot research area in recent years because of the light localization and field enhancement effects. In order to improve the effective spectral response and quantum efficiency of detector, this project presents a novel InGaAs detector integrated with nanoantenna based on the selective enhancement in shortwave infrared. Aim at the atmospheric observing band in shortwave infrared, the structure design and performance simulation of nanoantennas will be analyzed, the far-field and near-field effects, the coupling mode of the nanoantenna enhancement and InGaAs optoelectronic conversion will be investigated. Integrated with the detector fabrication process, the compatible process of nanoantenna and InGaAs detector will be optimized, and the prototype of InGaAs detector with nanoantenna will be fabricated and the light enhancing performance will be tested and verified. This study of nanoantenna enhanced shortwave detector brings new method for performance improvement of shortwave infrared detectors, which will accelerate the development of shortwave detection technology in China.

短波红外探测器在航天对地遥感和天文观测等弱信号探测领域具有重要应用，红外探测系统对探测器的性能要求越来越高，而常规方法提升空间有限，有必要寻求基于前沿科学的解决思路。纳米光天线具有光场局域增强等特点，近年来已成为研究热点。本项目采用以纳米天线结构增强短波红外波段吸收的方法，提出集成纳米天线的InGaAs短波红外探测器，以调控探测器的有效响应谱段及改善量子效率。针对短波红外大气探测谱段，进行纳米天线的结构设计和性能模拟，探明纳米天线远场、近场效应，研究纳米天线场增强效应与InGaAs探测器光电转换效应的耦合机理；同时结合常规探测器制备工艺，优化得到纳米天线与InGaAs探测器的兼容性制备方法，实现集成纳米天线的InGaAs探测器原型器件，并验证其光响应增强效果。本项目在短波红外探测器集成纳米天线新结构方面的探索研究，有望为改善短波红外探测器的性能提供新途径，促进我国短波红外探测技术的发展。

短波红外InGaAs器件因为其稳定性高、暗电流低以及在较高工作温度下依然有较高探测率等优点，在航空航天以及成像探测等领域有着越来越大的应用价值。随着探测要求的不断提高，InGaAs器件也在朝着减小光敏元面积，扩大焦平面规模等方向发展，但是探测器光敏面积的不断减小会减弱能有效收集到的入射光能量，降低信噪比，增大探测难度，引入新的结构来增强对入射光的吸收显得非常迫切。纳米光天线通过光散射与表面局域场增强效应，可以提升探测器的光吸收性能。本项目针对短波红外探测器探索性地提出集成纳米天线结构来充分收集入射光，设计了纳米球与纳米柱两种纳米天线结构，对纳米天线的结构性能进行了模拟仿真，探究了纳米天线的表面等离激元增强透射等特性，探索了纳米天线结构的制备工艺，验证了纳米天线对器件结构的透过率增强效果。.使用FDTD Solutions软件，对设计的纳米天线的透过性能做了系统的理论研究。在SiO2/Metal balls/InP结构中，确定了纳米球天线结构参数为：纳米天线材料Ag，金属球半径190-200 nm，周期700-900 nm，SiO2介质层厚度500 nm。采用超声分散沉积法制备了SiO2/Metal balls/InP结构纳米天线样品，发现沉积时间在2 h至3 h之间较为合适。对制备的分散较为均匀的样品在生长SiO2薄膜前后进行了测试，发现Metal balls/InP结构纳米天线透过率随着入射光波长的增加而增大，但在1 μm附近波段的透过率基本没有增强效果；在生长SiO2薄膜之后，1 μm附近波段的透过率得到了显著的提高，并且在1-1.7 µm波段的透过率都相对得到了增强，与理论模拟结果定性吻合。针对可见拓展InGaAs探测器，在可见波段（500nm～800nm），当周期T=500nm，纳米柱高度h=140nm，半径r=133nm时，器件表面反射率整体较小，且最小值不到1%。基于胶体晶粒刻蚀工艺的微纳结构制备方法，在InGaAs焦平面探测器的InP衬底上实现了150nm高度InP纳米柱结构的研制。性能测试结果表明，表面集成了InP纳米柱的光敏元，展示了较好的可见-短波红外宽谱段增强响应的特点。.本项目在短波红外探测器集成纳米天线新结构方面的探索研究，有望为改善短波红外探测器的性能提供新途径，促进我国短波红外探测技术的发展。