引用本文
茅丰, 王明甲. 一种基于室温工作的量子点光电探测器的微光读出和应用研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(3): 877-881.
MAO Feng, WANG Ming-jia. Low-Light-Level Readout Based on Quantum Dots-in-Well Photodetector at Room Temperature[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(3): 877-881.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)03-0877-05  
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一种基于室温工作的量子点光电探测器的微光读出和应用研究
茅丰1, 王明甲2,*
1. 上海应用技术大学电气与电子工程学院, 上海 201418
2. 青岛科技大学自动化与电子工程学院, 山东 青岛 266042
*通讯联系人 e-mail: mingjiawang@126.com

作者简介: 茅 丰, 1978年生, 上海应用技术大学电气与电子工程学院讲师 e-mail: masonmao@126.com

收稿日期: 2018-03-08
基金: 国家重大基础研究计划项目(2011CB932903), 山东省高等学校科技计划项目(J17KA059)资助
摘要

针对量子点光电探测器线列进行微光检测研究, 量子点探测器采用AlAs/GaAs/AlAs双势垒结构, GaAs宽阱中分别有一个InAs量子点(QDs)和In0.15Ga0.85As量子阱(QW), 建立一个简单的器件模型进行分析。 常温下, 在632.8 nm He-Ne激光照射下, 当光功率为 0.01 pW时, 器件偏压-0.5 V, 积分时间80.2 μs, 电压响应率达到7.0×1011 V·W-1, 具有非常高的灵敏度, 这种光电探测器在300 K温度下可以探测光功率小于10-14 W极弱光。 以这种量子点光电探测器为核心研制的高灵敏度光谱仪和分子超光谱系统结合对生物组织样本进行检测, 研制了一种图谱相互验证, 互为校正的生物组织光谱测量系统。

关键词: 光电子学; 微光检测; 显微光谱; 高灵敏度
中图分类号:O436 文献标志码:A
Low-Light-Level Readout Based on Quantum Dots-in-Well Photodetector at Room Temperature
MAO Feng1, WANG Ming-jia2,*
1. Electrical and Electronics Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China
2. College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China
Abstract

In this paper, the photoluminescence detection of quantum dot photodetector arrays is studied. The quantum dot detector adopts AlAs/GaAs/AlAs dual-barrier structure. In the wide GaAs well, there are InAs quantum dots (QDs) and In0.15Ga0.85As quantum Well (QW), and a simple device model for analysis is built. Under the irradiation of 632.8 nm He-Ne laser at room temperature, when the optical power is 0.01 pW and the bias voltage of the device is -0.5 V, the integration time is 80.2 μs and the voltage response rate is 7.0×1011 V·W-1, which has a very high sensitivity. At the temperature of 300 K, this quantum dot detector can detect the very weak light whose power is less than 10-14 W. The high-sensitivity spectrometer and molecular hyperspectral system developed with this kind of quantum dot photodetector are used to detect biological tissue samples. A spectroscopic system for mutual verification and mutual calibration of biological tissues is developed.

Keyword: Optoelectronics; Low-light-level; Microscopy hyperspectral; High-sensitivity
引 言

光电探测器在航天航空遥感、 光电武器制导、 医疗诊断、 生物分子科学、 导航、 环境监测等领域得到广泛应用, 为了在上述领域探测非常微弱的光信号, 需要探测器具有很高的增益[1, 2, 3]。 含有自组织量子点的QD-RTD因具有很高的光激发载流子倍增因子, 而备受关注并进一步研发应用[4, 5, 6, 7, 8]。 近年来, 报道的具有单光子探测能力的QD-RTD工作温度都很低, 在液氦或液氮温度[4, 5, 6, 7, 8]。

本文报道的量子点探测器具有AlAs双势垒结构, GaAs宽阱中分别嵌入InAs QDS和In0.15Ga0.85As QW, 利用量子点和小量子阱附近的光生电荷对其能级的调整, 显著的提高器件的灵敏度。 在室温工作下具有10-14 W级别的微弱光检测能力。 当器件工作在反向偏压下, 光激发电子与空穴分别存储在量子阱和量子点中, 产生内光生伏特效应, 改变了量子点和量子阱的势能, 使器件具有很高的光激发倍增电流[9]。 通过KEITHLEY 4200-SCS和632.8 nm波长的激光进行I-V和C-V测试, 并建立一种简化的反映器件高灵敏度特性的器件物理模型, 根据所建立模型, 研究量子点探测器在微光条件下提高量子倍增效率的物理机制; 通过读出电路和嵌入式数据采集系统, 获得了功率等于1× 10-14 W光信号的响应电压。

通过硅通孔一孔四线技术将1× 64量子点光电探测器线列和读出电路封装在一块硅基板上, 研制了常温工作的高灵敏度微型光谱仪。 在分子超光谱系统上通过光学C口切换器将新型量子点光谱仪加装在系统上, 实现两种光谱测量系统相互验证, 互为校正。 在微弱信号测试时发挥量子点光谱仪高灵敏度的特点, 将光谱成像技术应用于生物组织样本的检测, 从图谱结合的角度对样本进行分析。

1 实验部分
1.1 器件结构特性

量子点光电器件采用分子束外延技术(MBE) 生长在n+-(100)GaAs衬底上, 首先生长1 μ m厚掺硅(10-18 cm-3 )的GaAs缓冲层, 然后依次生长30 nm的非掺杂GaAs隔离层, 25 nm的AlAs势垒, 3 nm的GaAs隔层, 6 nm的In0.15Ga0.85As窄量子阱, 45 nm的GaAs宽量子阱, 1.8 M自组织InAs量子点层, 5 nm的GaAs隔层, 25 nm厚的AlAs势垒及30 nm非掺杂GaAs隔离层, 最后再覆盖一层30 nm(掺硅10-18 cm-3)GaAs 盖层[9, 10], 下电极通过欧姆接触置于探测器线列的两端, 顶部的上电极边制作了45× 500 μ m2窗口, 作为入射光通道, 探测器工作在反偏状态下, 能带图如图1(b)所示(反偏是指下电极为正, 上电极为负)。

图1 (a) 1× 64光电探测器线列照片; (b)探测器反偏时的能带图Fig.1 (a) 1× 64 Photoelectric detector line photo; (b) Bandmap of detector’ s reversed time

采用傅里叶光谱仪FITR Vertex 80V测试了器件常温下的光电流响应谱, 如图2所示。 探测器在600 nm1 μ m范围内有很好的光电响应。 当器件在632.8 nm激光照射下, 在AlAs两侧产生电子空穴对, 在电场作用下, 载流子向相反的方向运动, 当光激发载流子越过或隧穿AlAs势垒时产生电流。 工作温度300 K, 偏压在± 1.5 V时, 电场强度达到1× 107 V· m-1。 利用Kelthley 4200-SCS半导体特性分析仪分别测试了液氮温度和常温下探测器的I-V特性, 如图3所示, 虽然器件面积较大, 但在低温下, -0.50 V工作电压范围内, 暗电流很小, 约为10-13量级。 实验采用的是632.8 nm He-Ne激光器作为光源进行微光检测, 如果对870 nm波段的光进行检测, 灵敏度会提高数倍。

图2 探测器的光电流谱Fig.2 Detector photocurrent spectrum

图3 不同光功率下光电探测器的I-V特性图
(a): 液氮温度; (b): 常温Fig.3 I-V characteristics of photodetectors under different optical power
(a): Liquid nitrogen temperature; (b): Room temperature

常温下器件暗电流很大, 但微光时器件仍有很大的电流响应率, 器件工作在-0.5 V时, 暗电流3.88× 10-6, 光功率为0.01 pW时, 光电流为1.2× 10-8, 光电流探测器电流响应率R等于1.2× 10-6, 假定量子效率η 取理想值1, 当激光功率0.01 pW时, 器件工作在-0.5 V, 通过式(1)得到探测器增益g超过2.35× 106。 通过精心选择读出电路结构和探测器工作点, 可以对0.01 pW进行微光读出研究。

η=Ip/eP/hν=IhcgPeλ=Rghceλ=Rg1.24λ(μm)(1)

光电探测器具有这么高的增益, 说明我们的器件在光照下产生的电子和空穴分别在In0.15Ga0.85As QW和InAs QDs中具有很长的存储时间; 读出时, 量子点和小量子阱的存储效应可通过施加一个正向电压脉冲进行擦除, 电子和空穴分别进入InAs QDs和窄In0.15Ga0.85As QW, 并分别和光探测时存储的空穴和电子复合。

1.2 光电探测器工作原理分析

为了便于分析, 建立一个简单的模型, 不考虑InAs QDs的宽度, 空间分布的QDs用狄拉克函数δ 来表示。 为了简化分析, 窄的In0.15Ga0.85As QW也用一个狄拉克函数δ 表示。 Ldot和Lwell分别是量子点、 窄的In0.15Ga0.85As QW和下电极侧AlAs势垒的距离, 如图1所示, 根据泊松方程和边界条件可以得到[9, 10, 11]

d2φdx2=-eNdεε0-epdotεε0δ(x-Ldot)+enwellεε0δ(x-Lwell)(2)φ(w)=0(3)dφdxx=w=0(4)

式(2)中Nd是GaAs阱中的杂质浓度, pdot和nwell分别是QDs和In0.15Ga0.85As QW 中存储的光生空穴和电子浓度, 根据边界条件式(3)和式(4), 式(2)可以得到

φ(x)≈-eNdεε0(x-w)2+0x> Lwell-epdotεε0(Ldot-x)x< Ldotenwellεε0(Lwell-x)Ldot< x< Lwell(5)

当较强的光照时, GaAs宽阱中产生大量的电子空穴对, 负偏情况下, 空穴存储在InAs QDs中, 电子存储在In0.15Ga0.85As QW中, 空穴存储在InAs QDs中, 使InAs QDs附近的电子势能降低, 电子存储在In0.15Ga0.85As QW中, 使In0.15Ga0.85As QW附近的电子势能增大, 增大了AlAs势垒上的压降, 增大了光电流。 器件具有高的灵敏度, 意味着电子和空穴在量子点和窄的量子阱中存储的时间较长。 外加1.5 V偏压下, 有源区(120 nm)的电场强度约为107 V· m-1, 假定电子和空穴的迁移率分别为8 000和400 cm2· V-1· s-1, 相应的共振隧穿传输时间为1× 10-14和1× 10-13 s, 比InAs量子点中的电子空穴复合时间(1× 10-9 s)小4个数量级[9, 10, 11, 12, 13], 所以器件具有高的内增益。 当光照增强时, 电子空穴对增加, pdot和nwell增大, 则光照引起的内电势增大。 当x=0时, 光生空穴在AlAs势垒一侧引起电势变化

ΔV≈-epdotεε0Ldot(6)

根据式(6)和光照下的I-V特性曲线峰值对应的电压偏移可以估算出空穴浓度。 当光照后电压偏移基本不变时, 大部分量子点和窄的量子阱分别充满了空穴和电子。

1.3 微光读出

1.3.1 读出电路设计

读出电路主要结构如图4所示, 电路由三级组成, 第一级像素级, 1× 64阵列的量子点-量子阱光电探测器, 通过行扫描开关连到第二级CTIA-CDS读出级, 第三级是缓冲输出级。 为了抑制读出过程器件与采样系统产生的热噪声、 1/f噪声、 暗电流噪声和背景噪声电流, 采样保持电路采用相关双采样结构。 为了增加动态范围, 积分电容有2, 10和12 pF三种, 为了抑制量子点存储对光探测的影响, 采用周期性倒空技术, 在器件下电极端(VCOM)加周期性倒空信号, 在光读出前进行复位, 减小量子点存储电荷影响, 增大微光探测灵敏度[14, 15]。

图4 读出电路结构图Fig.4 Readout circuit structure

1.3.2 微光读出

常温下, 激光功率1 nW, 读出电路在不同积分时间下响应电压如图5所示, 由图可以看出, 响应电压随时间线性变化很好。 当积分电容2 pF, 积分时间超过50 μ s时, 读出电路开始饱和, 因为常温下器件暗电流和系统产生的热噪声、 1/f噪声、 暗电流噪声和背景噪声等较大, 限制了读出电路的动态范围。

图5 不同积分时间响应电压Fig.5 Different integration time response voltage

常温下, 器件暗电流和系统噪声较大, 为了增大动态范围, 采用12 pF积分电容, 图6为器件偏压-0.3 V时, 12 pF积分电容, 80 μ s积分时间下, 读出电路响应电压随光功率的变化, 读出电路随光功率成亚线性变化, 且30 nW光照下, 读出电路饱和。

图6 不同光功率下的响应电压Fig.6 Response voltage at different optical power

为了对更微弱的光信号进行读出测试, 632.8 nm He-Ne激光功率经过NewPort功率计校准为10 pW, 然后分别经10%, 1%和0.1%中性密度片进行衰减得到1, 0.1和0.01 pW光功率。 通过进一步减小暗室内背景光, 对器件响应最大的像元进行读出测试, 得到常温下632.8 nm激光光功率低至0.01 pW(10-14 W)的微弱光信号, 接近单光子级别。 常温下当偏压-0.5 V时, 积分时间80 μ s, 积分电容2 pF时, 采用嵌入式数据采集系统对读出电路响应电压进行数据采集, 分别测试暗环境和有光照两种情况下的输出电压, 实际响应电压为两者之差。 从图7可以看出当0.01 pW 632.8 nm激光光照时, 读出电路响应电压为7 mV, 电压响应率达到7.0× 1011 V· W-1。 而根据器件光谱图(图2)可以看出如果光源波长在800900 nm, 器件具有更高的灵敏度, 常温下有希望测到光功率小于0.01 pW微弱光信号。

图7 0.01 pW激光照射和暗背景下读出电路输出电压
(a): 0.01 pW激光照射时; (b): 暗背景下Fig.7 Readout circuit output voltage with 0.01 Pw laser irradiation and dark background
(a): 0.01 pW laser irradiation; (b): Dark background

2 结果与讨论

以新原理量子点阵列和读出电路为核心, 研制出高灵敏度嵌入式微型光谱仪。 以高灵敏度微型光纤光谱仪为基础, 将显微镜技术与光谱仪技术相结合, 探索高灵敏度显微光谱成像系统的应用。 相对于传统的光成像方法, 光谱成像技术能获得组织、 器官甚至细胞中更多的信息。 光谱成像技术同时提供生物组织样本图谱两方面的信息, 对检测目标进行定性、 定量和定位的描述, 可以实现对某些病理变化的早期诊断, 相比较于其他医学成像技术, 具有独特的优势。 李庆利等研制了一种基于AOTF的分子超光谱成像系统, 系统光谱范围5501 000 nm, 空间分辨率可达0.061 5 μ m, 光谱分辨率可达2 nm。 分子超光谱成像系统主要基于AOTF的分光计、 显微镜、 面阵CCD(OK-AM1530, 有效像元1 024× 1 024)、 图像采集卡和工业计算机构成[16]。 分子超光谱系统可以得到图像上任意像素点的光谱。 新型量子点探测器光谱仪通过C口安装在分子超光谱成像系统上, 两种光谱系统可以通过光路切换对生物样品中心微区进行成像和光谱对比, 如图8所示。

图8 新型量子点光谱仪和分子超成像系统Fig.8 New quantum dot spectrometer and molecular super-imaging system

对白血病人异形淋巴核进行光谱测试和对比, 白血病人血细胞图像如图9所示。 通过新型量子点光谱仪和高光谱成像系统对白血病人血细胞进行光谱采集和对比, 如图10。 两种光谱系统所测的白血病人细胞很接近, 达到了相互验证, 互为校正的目的。

图9 白血病人血细胞图像Fig.9 Leukemia human blood cell image

图10 量子点光谱仪和分子超光谱成像系统测试的白血病人血细胞光谱对比Fig.10 Comparison of leukemia human blood cell spectra measured by quantum dot spectrometer and molecular hyperspectral imaging system

3 结 论

对一种新型的光电探测器的工作原理和高灵敏度特性进行了研究, 并建立一个简单的模型进行分析。 常温下探测器可以实现对0.01 pW 632.8 nm He-Ne激光微光读出, 在80.2 μ s积分时间下电压响应率达到7.0× 1011 V· W-1。 以探测器和自主设计的读出电路为核心研制成高灵敏度微型光谱仪, 并与分子超光谱系统结合, 实现生物样本光谱对比测试, 实现了两种光谱测量系统的对比和校正。

The authors have declared that no competing interests exist.

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