基于米氏超构表面的像素集成长波多光谱Ⅱ类超晶格探测器

多光谱探测是大气监测、废弃物检测、食品安全和微生物检测等应用技术中不可或缺的一部分。多光谱探测系统按照波长可以分为短波（1.1 μm~2 μm），中波（3 μm~5 μm）和长波（8 μm~12 μm）。目前，长波红外多光谱探测器主要包括碲镉汞、Ⅲ–Ⅴ族超晶格、量子阱等传统半导体材料。然而，基于半导体材料多光谱探测系统通常需要配备复杂的光器件和精密光路，如分束器、滤光片等，这些传统技术显著的增加了动态调制的复杂性，并阻碍多光谱系统的推广和应用。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成中心和中国科学院半导体所的合作科研团队在Applied Physics Letters期刊上发表了题为“Pixel-integrated Mie metasurface long-wave multispectral Type Ⅱsuperlattice detector”的最新论文。文中提出了一种集成了动态可调的米氏（Mie）超构表面（GAMS）的长波超晶格探测器，实现了器件响应峰值在反向偏压下连续调谐，范围达340 nm。该探测器的黑体探测率在78 K时达到了5×10¹⁰cm·Hz1/2，并且光谱切换速度达11 KHz。该论文第一作者为中科院绿色智能技术研究院肖磊博士，通讯作者为中科院重庆绿色智能技术研究院孙泰副研究员。

在这项研究中，报道了一种集成了动态可调的Mie超构表面的长波超晶格探测器。通过复合石墨烯辅助耗尽Mie结构，该装置的响应峰值可以在反向偏压下连续进行动态调谐，调谐范围高达230 nm。此外，对近场条件下GAMS结构内光生载流子的产生和分离进行了分析，揭示了该结构在光耦合和载流子操纵方面的优异潜力。该探测器的D*达到了5×10¹⁰ cm·Hz1/2@77 k（600 K黑体辐照），并且光谱切换速度达到了11 KHz。这一成就实现了像素级集成的多光谱探测能力，并且该器件的制造工艺与标准半导体制造工艺兼容。

该Mie超构表面的超晶格探测器架构如图1所示，GAMS在PIN型超晶格台面上制备，光栅深度1.1 μm，达到I型吸收区域。器件的光谱调控通过调控GAMS结构的折射率特性实现。

图1 GAMS器件结构

对GAMS结构施加外部偏置电压会显着改变自由载流子的浓度，从而导致谐振波长的变化和器件响应峰值的变化。同时GAMS结构还会将入射辐射集中在器件的吸收区域，增强光载流子的分离，实现高灵敏探测，如图2a所示。随后，研究人员对该器件的性能进行测试分析，结果如图2所示。

图2 动态米氏多光谱探测器机制

此外，研究人员利用设计与模拟仿真软件（TCAD）进一步仿真了GAMS器件的自由载流子的调控特性，通过优化吸收区掺杂浓度，该器件展示出较高的黑体响应，结果如图3所示。

图3 GAMS器件的自由载流子控制特性

最后，为抑制反向偏压器件的热漂移噪声，研究人员采用了金和石墨烯电极的组合，用石墨烯覆盖GAMS结构的表面，辅助GAMS结构耗尽。石墨烯辅助耗尽器件响应光谱的动态调制效果如图4所示。

图4 石墨烯辅助耗尽器件响应特性

在这项工作中设计并制造了基于Mie介质超构表面的电门控GAMS结构，该结构由单层石墨烯和掺杂Mie介质光栅组成。在长波超晶格器件上制备了GAMS结构后，器件的光电响应可以通过外加偏置实现动态调节。Mie多光谱探测器在长波波段实现了340 nm的连续动态调谐，器件D*达到5×10¹⁰cm·Hz1/2。总体而言，该Mie多光谱探测器具有高速、高性能、超紧凑、制造可扩展性和FPA兼容性的优点，为长波波段像素级集成高性能动态多色探测器提供了一种新的解决思路。

这项研究项目获得了国家自然科学基金、国家自然科学基金重大项目、中科院“西部之光”计划、中国科学院重点研究计划等支持。

审核编辑：彭菁