基于卷曲纳米技术的量子阱红外探测器的应变控制和能带调控

Rolled-up nanotechnology focuses on rolling the two-dimensional nano-films into micro or nano scale tube or spiral structure by the release of the film stress based on the traditional lift-off technology. In this project, we will prepare the quantum well infrared detector into three-dimensional structure, which can not only enhance the detection angle of the infrared detector and improve the utilization rate of incident light, but also can improve the quantum efficiency of the device because of the optical resonator formed by adjusting the parameters of rolled-up films. The change of the strain state will inevitably affect the physical properties for the film or devices. In this project, we will study the charge carrier transitions and photoelectric characteristics of the rolled-up quantum well infrared detector based on experimental tests and theoretical analyses, and analyze the effect of strain state on the band structure and carrier transition of quantum well. On the basis of analyses, we can find out the intrinsic mechanism to explore the rolled-up quantum well infrared detector with controllable absorption wavelength.

卷曲纳米技术主要采用传统的剥离（lift-off）工艺，利用薄膜本身的应力，将二维自由展开的纳米薄膜卷曲成微米或者纳米尺度的管子或者螺旋结构。本项目将量子阱红外探测器制备成三维卷曲结构，不仅可以增大红外探测器的探测角度，提高入射光的利用率，而且通过调整卷曲薄膜的参数可以使微管形成光学谐振，提高器件的量子效率。卷曲薄膜的应变状态的改变必然会影响到薄膜材料或器件的物理性质。本项目中，我们将结合实验测试和理论分析，研究卷曲量子阱红外探测器的载流子跃迁和光电特性，细致分析应变状态对量子结构的能带结构和载流子跃迁的影响，并理清内在机制，为制备波长可控的卷曲量子阱红外探测器奠定基础。

项目是基于纳米结构的能带工程和应变工程，利用应力/应变调节量子阱结构的能带以调控半导体结构的电学和光学特性。. 首先设计了具有特定能带结构的多层薄膜，通过改变腐蚀工艺来调控薄膜卷曲方向，以实现红外器件的可控制备。我们主要制备了卷管直径分别为127 μm、150 μm、158 μm的向上卷试样，以及向下卷和褶皱的试样。通过光学实验和理论计算，分析了卷曲量子阱红外探测器的薄膜弯曲应变对能带的调控作用。我们通过对光电流谱的计算与分析确定了由压应力向拉应力过渡的中性面位置，进而确定了不同试样的量子阱的应力状态。结合光致发光谱，我们发现卷曲直径的较小变化所产生的应力改变不足以影响势垒层与量子阱层的能带结构，且150 μm卷曲的纳米薄膜具有一阶斯塔克效应，而127 μm试样则是二阶斯塔克效应，并对产生这一现象原因进行了分析。. 我们还对电极的退火温度进行了深入的探索，最终得到较为稳定的工艺技术。对红外器件进行性能测试，并对相关测试结果进行比较分析。我们发现卷管试样在±60°的角度偏移范围内，光电响应变化幅度较小，角度稳定性较高；黑体响应测试表明，向下卷曲试样的光电响应率要高于向上卷曲的试样；我们对比了不同温度下的光电流谱，发现只有在低温范围内(﹤70 K), 量子阱的能带移动对温度变化不敏感；最后，我们还对柔性衬底上管状结构的制备工艺进行了初步研究，主要通过工艺上的探索实现单元器件从原始脆性衬底转移到新的柔性衬底上，我们采用先将样品减薄至较薄厚度，然后转移至柔性衬底的方法，并对器件进行了光电响应测试与分析。. 该项目的相关具体研究成果已发表在Applied Physics Express， Physics Letters A，Journal of Electronic Materials等期刊上，并申请发明专利2项。量子阱结构中的能带调控、载流子输运等相关研究及卷曲量子阱红外探测器的性能研究对于推进半导体量子结构器件的应用与发展具有重要的意义。