近半个世纪以来，在前沿科学研究的驱动下，红外探测技术目前已经发展到了第三代的多色、多功能、低功耗成像，实现了近乎覆盖整个红外波段的多种类型的红外探测器件，在国土安全、疫情防控、大气遥感、卫星通讯以及天文观测等领域发挥着重要的作用。从光子学角度看，太赫兹（THz）探测技术作为红外探测的延拓，近年来在生命科学、医疗卫生、空间探测等领域取得了快速发展，太赫兹成像技术也成为了光电子领域的研究前沿和热点。
据麦姆斯咨询报道，由北京应用物理与计算数学研究所机构、计算物理全国重点实验室、清华大学、北京师范大学和北京邮电大学组成的科研团队全面综述了宽谱红外/太赫兹量子棘轮探测器的研究进展，并对该新型宽谱探测器的发展趋势和未来进行总结和展望。相关研究内容以“宽谱红外/太赫兹量子棘轮探测器研究进展”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。
红外及太赫兹探测器
红外光子型探测器主要有碲镉汞（HgCdTe）、二类超晶格（T-II SL）、量子阱（QWIP）、铟镓砷（InGaAs）、碲化铟（InSb），对应探测波段范围如图1所示。
图1 已有红外探测器响应波长与工作温度
其中，HgCdTe为迄今为止发展最为成熟且应用最广泛的红外探测器，国际上美国雷神（Raytheon）、法国LETI以及Sofradir、英国SELEX和德国AIM等公司均已经实现大面阵量产。国内对HgCdTe相关研究起步较晚，中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所、武汉高德红外股份有限公司等机构目前正朝着长波、大面阵、多色等方向大力攻关。然而，高昂的成本、大面积高质量衬底的成品良率以及长波领域材料的晶格失配等问题一直是HgCdTe无法回避的问题。
与HgCdTe探测器相比，QWIP具有更低的暗电流、更高的响应度，但由于子带跃迁选择定则限制，量子阱需要额外的光耦合结构设计才能实现正入射响应，并且响应波段较窄。二类超晶格（T-II SL）探测器得益于其特殊能带结构，空穴势阱位置高于电子势阱，电子和空穴分别被限制在不同的材料层，器件量子效率高，响应速度快，暗电流小、材料均匀性好，使得其在长波及甚长波领域优势明显，在新一代探测器中极具发展潜力。但是工艺成本高及大面阵制备成品率低的问题还有待进一步解决。Ge探测器以及杂质阻挡带探测器（BIB）在长波宽谱响应方面有优势，但是工作温度极低。
典型的InGaAs、InSb探测截止波长分别为1.7 μm（可拓展至2.5 μm）和5 μm，但均无法向长波红外拓展。事实上，尽管红外波段光子型FPA工艺成熟、速度较快、灵敏度高，但是受限于半导体材料带隙，均无法实现宽谱探测，且随着探测波长增加，工作温度大幅降低（如图1）。制冷不仅仅会增加系统复杂度和成本，反复的升降温会破坏FPA-ROIC之间的In柱互联，造成一系列的成像坏点。这一点在太赫兹波段表现尤为明显，由于THz光子型探测器的工作温度极低（液氦温区），材料低温热失配使得FPA和ROIC无法有效连接；且由于衍射极限的限制，THz-FPA的像元尺寸通常需在百μm以上，大大增加材料均匀性的挑战和工艺难度，导致太赫兹光子型FPA发展尤为困难。
随着科技发展进步，天体物理、高能物理、生物医学成像、红外高光谱成像、红外/太赫兹层析成像等前沿科学领域对红外/太赫兹成像器件的性能也提出了愈加苛刻的要求。开发一种性能优异（高灵敏、高速、高温工作）、结构紧凑、成本低廉的宽谱红外/太赫兹成像器件无疑有着重要的意义。
能带工程与GaAs基探测器
近半个世纪以来，能带工程在电子器件和光电子器件的特性优化、能源材料设计优化、二维薄膜材料研究等领域取得了显著成就。在红外探测领域，基于半导体量子物理的能带工程理论也取得了较大进展。GaAs光电特性优良，且与AlxGa1-xAs晶格完美匹配，在红外探测领域被广泛应用。已经证明GaAs/AlxGa1−xAs低维异质结中至少有三种可以实现红外/太赫兹探测的机制：1)基于量子阱中的子带间跃迁吸收（ISBT）；2) 基于自由载流子吸收的内光发射；3) 基于光泵浦热空穴效应的太赫兹探测。基于量子阱的子带间跃迁吸收的探测器为量子阱探测器（QWP），是目前研究较为广泛的红外/THz光子型探测器。目前，QWP的主要研究目标主要为：高响应率、高速调制、高工作温度。从事QWP的研究包括法国巴黎大学、美国麻省理工学院、美国西北大学、日本东京大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院上海技术物理研究所、上海交通大学、上海理工大学等机构。不难发现，QWP的探测效率和工作温度在短短十多年的时间内已经有了质的提升，且得益于量子阱子带跃迁光生载流子寿命短等内在物理特性，其响应速度相较其他探测器有着无可比拟的优势。QWP是一款窄带探测器，探测频率范围覆盖小，无法实现宽普探测。且已有的QWP均为基于导带量子阱的子带间跃迁，由于子带间跃迁选择定则的限制，n型的THz-QWP只对平行于量子阱生长方向（垂直于器件表面方向）的偏振分量（p偏振分量）有响应，其探测基本原理及45°边耦合结构QWP器件结构如图2(a)和图2(b)所示。
图2 (a)量子阱结构工作机制示意图；(b) 45°边耦合结构QWP光耦合示意图
除量子阱结构以外，量子级联探测器（QCD）是基于ISBT的另一种红外探测机制。如图3所示，其工作机制与QWP不同的是，QCD工作无需外加偏压，光生载流子通过量子级联结构在声子辅助下实现隧穿输运。由于是零偏压工作，QCD暗电流极小，因此可以在弱光环境下实现较高信噪比，实现对微弱光信号的高灵敏探测。得益于这一优势，红外QCD目前相较QWP更容易实现较高的工作温度，法国CEA-LETI实验室于2022年成功实现了室温高速工作的QCD。
尽管QCD在响应速度和工作温度方面优势明显，但是由于ISBT的物理限制，其探测范围很窄，且无法拓展至太赫兹波段。为了拓展其响应波段至远红外/太赫兹。提出一种基于光泵浦的量子级联中间能级太赫兹探测方案。其基本思路为设计较高的势垒，在内部形成量子级联结构，载流子在短波光泵浦作用下形成光生载流子，并在量子级联结构中有效输运。通过能带工程，在级联输运过程中设计可以响应低频太赫兹能量的能级差，从而实现光泵浦辅助的太赫兹探测。该方案虽然可以将QCD的探测波长拓展至太赫兹波段，但由于其需要额外激励源的泵浦，且整体结构复杂，最后还是无法解决其响应波段窄的问题。
图3 光泵浦太赫兹量子级联探测器
基于自由载流子吸收机制的探测器为同质结/异质结界面功函数内光发射探测（HIWIP/HEIWIP），由于其吸收层厚度较大，掺杂浓度较高，因此几乎没有量子限制效应，也就没有子带跃迁选择定则束缚，可以实现宽谱的红外辐射的正入射吸收，其基本原理如图4(a)所示，正入射响应如图4(b)所示。这一概念由美国佐治亚州立大学PERERA.A.G.U教授于20世纪90年代提出，先后实现了Si基、GaAs基、GaSb基、GaN基内光发射探测器，实现了从紫外到远红外的超宽谱光子型探测。
图4 自由载流子吸收机制探测器
上海交通大学张月蘅、沈文忠教授团队在GaAs基及GaN基内光发射探测器方面做出了一系列创新突破，实现了GaAs基探测器效率的显著提升与波长进一步拓展，并在在此基础上实现了上转换宽谱成像。
基于光泵浦的热空穴效应太赫兹探测机制的基本原理如图5所示，其基本探测单元为重掺杂的GaAs注入层、AlxGa1-xAs渐变势垒层、GaAs吸收层和AlxGa1-xAs常数势垒层四部分组成，其中AlxGa1-xAs渐变势垒层Al组分由0.45~0.75渐变，常数势垒层Al组分为0.57。一般来说，这一结构的探测器截止波长是由GaAs/AlxGa1-xAs异质结界面功函数差异（ΔE）决定（λ=hc/ΔE），只有光子能量大于ΔE的光子才可被吸收，而这一结构对应的截止波长在4 μm以下。
图5 光泵浦热空穴效应太赫兹探测器能带示意图
量子棘轮探测器
量子棘轮是一种可以在多种系统中实现的空间反演对称性破坏的非平衡系统。棘轮光电效应的重要特征是使用时变的无方向性地或随机地扰动（例如辐射，热量或外部施加的交变电场）的时变输入来产生微粒的定向运动。图2(a)所示为典型的光响应量子棘轮，在外部光辐射的作用下，电子会跃迁至棘轮势垒上方，然后周期性的棘轮势垒会驱使电子运动，产生向右的净电流。
2022年，提出了基于GaAs/AlxGa1-xAs 量子棘轮红外探测器（QRIP）。图6所示为量子棘轮探测器的工作机制能带示意图，该探测器是光泵浦热空穴效应探测器的改进与发展。可以对于GaAs/AlxGa1-xAs异质结界面的能带结构进行调控，设计合适的渐变AlxGa1-xAs势垒，减小或者消除GaAs吸收层和AlxGa1-xAs势垒层之间异质结界面的势垒，并使得这一势垒在一定电场条件下变成平带，这样一来注入层的载流子无需经过光泵浦就可以在电场的作用下直接越过AlxGa1-xAs渐变层势垒，进而注入吸收层。
图6 红外/太赫兹量子棘轮探测器工作机制能带示意图
与光泵浦的热空穴效应太赫兹探测机制相比，基于量子棘轮的太赫兹探测机制最大的优势是可以通过电场驱动实现高能热载流子的注入。较之光泵浦的方式，量子棘轮探测器无需外加光激励源，整体器件更加紧凑。同时，常数势垒和渐变层势垒的减小或者消除，意味着量子棘轮探测机制中势垒层高度较之光泵浦模式会有较大程度的降低，因此除在太赫兹波段可以实现有效光吸收和探测之外，量子棘轮在中远红外波段势必也有较强的吸收和响应，这意味着量子棘轮探测器具备宽谱探测的潜力。
量子棘轮探测器宽谱红外探测器在非掺杂的半绝缘GaAs衬底上生长。器件结构图如图7(a)所示，具体红外及太赫兹响应机制示意图如图7(b)所示。
图7 量子棘轮探测器示意图
在此基础上，基于量子棘轮探测器进行了宽谱上转换器件集成制备。将光子从低能转化为高能的上转换过程，在高效太阳能电池、高灵敏度生物成像以及大面积红外/太赫兹成像等领域具有广阔的应用前景。在宽谱量子棘轮太赫兹/红外探测器研究的基础上，提出了基于棘轮结构的宽谱上转换原理：首先，利用量子棘轮探测器实现超宽谱红外及太赫兹辐射的探测吸收；然后，利用产生的光生载流子去驱动与棘轮探测器串联的一个发光二极管发出近红外辐射，进而实现超宽谱上转换。图8(a) 所示为上转换器件的器件结构示意图，图8(b)所示为器件暗电流。结果表明，上转换器件继承了量子棘轮探测器的超宽谱探测特性，如图8(c)所示。基于棘轮结构的上转换器件可以实现从4~200 THz的超宽谱上转换，这一结果较之前的上转换器件带宽提升了一个数量级。
图8 量子棘轮上转换器件示意图
此前工作中，均采用分子束外延（MBE）方式进行量子棘轮结构材料外延生长，上述量子棘轮探测器及上转换器件均基于MBE实现材料生长。最近，探索了利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长量子棘轮探测外延材料，详细材料结构参数如图9(a)所示。
图9 MOCVD生长量子棘轮探测器示意图
结论
这项研究首先介绍了当前红外/太赫兹探测器在宽谱、高温、高速方面面临的瓶颈问题。然后着重介绍了四种常见的GaAs基红外/太赫兹探测器，就其工作原理、器件结构、优势和劣势等方面进行了评述。其中，n型QWP结构需要进行耦合结构的设计使得制备的复杂性和成本提高且响应光谱范围十分有限无法实现宽谱探测；QCD整体结构复杂、响应波段窄，无法满足宽谱探测的需求；基于自由载流子吸收机制的探测器由于实验生长存在极限，截止波长无法进一步提升且工作温度较低；基于光泵浦的热空穴效应太赫兹探测器在太赫兹波段的响应率较低，峰值响应率仅有μA/W的量级。在此基础上，着重介绍了量子棘轮红外探测器的研究进展。从QRIP的器件基本原理、器件结构、实验表征结果等方面阐述了QRIP的优越性和可行性，其傅里叶红外分析光谱仪测试结果表明该结构确实能够实现宽谱探测。进一步采用MOCVD生长量子棘轮结构并进行光学和电学表征，由于其界面势垒的截断性较差，与MBE生长结构经过对比发现其响应频谱范围较窄、量子棘轮所具有的IV特征不明显。对比结果证明了量子棘轮结构能够有效提升器件的探测范围。接着，将该探测器制备成上转换器件，实验结果表明，上转换器件具有量子棘轮探测器的超宽谱探测特性，这一结果较之此前的上转换器件带宽提升了一个数量级。该上转换器件的最高响应温度能够达到25 K高于传统p型GaAs同质结探测器8 K的工作温度；不同工作温度的响应率能够达到A/W量级，较现有宽谱太赫兹探测器高出许多。
该研究提出的量子棘轮探测器为实现高速、宽谱、高温的红外/太赫兹探测及上转换，提供了一种新型解决方案与思路。器件宽谱响应及高温工作的实现的实现拓宽了探测技术能带工程设计的新思路。受此启发，可以尝试采用不同材料结构进行红外探测，亦可以通过棘轮结构优化器件以实现宽谱、高温等特性。这一工作为传统半导体能带工程实现高性能红外/太赫兹探测打开了全新的窗口。
https://dx.doi.org/10.3788/IRLA20240211
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