量子点光电探测器如何实现傅里叶变换波导光谱仪完全微型化

据麦姆斯咨询报道，近日，瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）开发了一种微型傅里叶变换波导光谱仪，其集成了一个与CMOS兼容的亚波长胶体量子点（quantum dot，QD）光电探测器作为光传感器。所开发的光谱仪具有较大的光谱带宽和50 cm⁻¹的中等光谱分辨率，总有效体积小于100 μm × 100 μm × 100 μm。这种超紧凑的光谱仪设计使得将光学/分析测量仪器集成到消费电子和空间设备中成为可能。

红外光谱仪的微型化对于将其集成到下一代消费电子产品、可穿戴设备和超小型卫星中至关重要。在色散元件、窄带通滤波器和计算重构光谱仪小型化的过程中，必须考虑大光谱带宽和高光谱分辨率之间的权衡。傅里叶变换光谱仪以其在红外波段的大带宽和高光谱分辨率而闻名；然而，它们还没有完全小型化。基于波导的傅里叶变换光谱仪虽然占位面积小，但需要依赖外部成像传感器，如笨重且昂贵的铟镓砷（InGaAs）相机。

在本项工作中，研究人员成功制造了波导集成的HgTe量子点光电探测器。这种室温工作的光电探测器表现出高达2 μm波长的光谱响应。此外，线状亚波长尺寸的光电探测器与光波导单片集成，实现了一种概念验证的傅里叶变换微型光谱仪，其光谱分辨率为50 cm⁻¹，有效体积小于100 μm × 100 μm × 100 μm。这项工作设计了一种超紧凑的短波红外光谱仪，其具有大带宽、中等光谱分辨率以及较高的光谱灵敏度（红外光区域）。

波导光谱仪示意图（未按比例绘制）

对于概念验证器件，研究人员选择了HgTe量子点光电探测器，因为不需要量子点层的能带对准。光电探测器以垂直堆叠的配置（通常用于光电二极管）制造，减少了传感器的占位面积。包括两个电极在内的量子点光电探测器的总厚度小于300 nm。与使用外部InGaAs相机及匹配光学器件的最先进波导光谱仪相比，这种成像传感器的垂直尺寸缩小了1000倍。

量子点光电探测器的制造和表征

在量子点薄膜上制作具有亚微米尺寸的合适顶部电极十分具有挑战，据研究人员所知，目前尚未开发出来。受石墨烯转移的启发，一种变通方法是通过旋涂和退火，在二氧化硅衬底上的100 nm铜缓冲层上制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）双层。重要的是，探测器的制造不限于LiNbO₃衬底，而是可以扩展到各种平坦衬底，如硅上的SiO₂，这证明了与CMOS半导体片上集成的兼容性。

1570 nm激光光源的光谱仪应用

研究人员所开发的傅里叶变换波导光谱仪实验如上图a所示：1570 nm激光器（300 μW输出功率）由机械斩波器（50%开口面积）调制并耦合到LiNbO₃波导中。调制的光信号取决于亚波长量子点光电探测器的相对位置。反射镜移动100 μm时可产生50 cm⁻¹的光谱分辨率。与其他类型的光谱仪相比，50 cm⁻¹的光谱分辨率可能不是很高；然而，所有光谱仪都要在光谱分辨率、带宽和光谱仪体积之间进行权衡。在这方面，此次开发的波导光谱仪达到了基本极限，并且进一步小型化可能需要更小的波导截面。所开发的波导光谱仪的最大可探测波长由HgTe量子点膜的吸收光谱确定，在实验情况下达到约2 μm。

总之，单片集成的亚波长量子点光电探测器对于实现傅里叶变换波导光谱仪的完全微型化至关重要。这种探测器的制造方法包括引入避开对温度敏感的处理步骤。基于HgTe量子点的亚波长光电探测器已被单片集成到LiNbO₃波导上，其光谱灵敏度高达2 μm，并可在室温下工作。光电探测器的单片集成将成像传感器的厚度缩小了1000倍，从而实现了大带宽、超紧凑的红外光谱仪（50 cm⁻¹的中等光谱分辨率）。本次研究结果为消费电子、空间应用和高光谱相机中的微型光谱仪的开发铺平了道路。

审核编辑：彭静