多光譜探測是大氣監測、廢棄物檢測、食品安全和微生物檢測等應用技術中不可或缺的一部分。多光譜探測系統按照波長可以分為短波（1.1 μm~2 μm），中波（3 μm~5 μm）和長波（8 μm~12 μm）。目前，長波紅外多光譜探測器主要包括碲鎘汞、Ⅲ–Ⅴ族超晶格、量子阱等傳統半導體材料。然而，基于半導體材料多光譜探測系統通常需要配備復雜的光器件和精密光路，如分束器、濾光片等，這些傳統技術顯著的增加了動態調制的復雜性，并阻礙多光譜系統的推廣和應用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院重慶綠色智能技術研究院微納制造與系統集成中心和中國科學院半導體所的合作科研團隊在Applied Physics Letters期刊上發表了題為“Pixel-integrated Mie metasurface long-wave multispectral Type Ⅱsuperlattice detector”的最新論文。文中提出了一種集成了動態可調的米氏（Mie）超構表面（GAMS）的長波超晶格探測器，實現了器件響應峰值在反向偏壓下連續調諧，范圍達340 nm。該探測器的黑體探測率在78 K時達到了5×101?cm·Hz1/2，并且光譜切換速度達11 KHz。該論文第一作者為中科院綠色智能技術研究院肖磊博士，通訊作者為中科院重慶綠色智能技術研究院孫泰副研究員。

在這項研究中，報道了一種集成了動態可調的Mie超構表面的長波超晶格探測器。通過復合石墨烯輔助耗盡Mie結構，該裝置的響應峰值可以在反向偏壓下連續進行動態調諧，調諧范圍高達230 nm。此外，對近場條件下GAMS結構內光生載流子的產生和分離進行了分析，揭示了該結構在光耦合和載流子操縱方面的優異潛力。該探測器的D*達到了5×101? cm·Hz1/2@77 k（600 K黑體輻照），并且光譜切換速度達到了11 KHz。這一成就實現了像素級集成的多光譜探測能力，并且該器件的制造工藝與標準半導體制造工藝兼容。

該Mie超構表面的超晶格探測器架構如圖1所示，GAMS在PIN型超晶格臺面上制備，光柵深度1.1 μm，達到I型吸收區域。器件的光譜調控通過調控GAMS結構的折射率特性實現。

圖1 GAMS器件結構

對GAMS結構施加外部偏置電壓會顯著改變自由載流子的濃度，從而導致諧振波長的變化和器件響應峰值的變化。同時GAMS結構還會將入射輻射集中在器件的吸收區域，增強光載流子的分離，實現高靈敏探測，如圖2a所示。隨后，研究人員對該器件的性能進行測試分析，結果如圖2所示。

圖2 動態米氏多光譜探測器機制

此外，研究人員利用設計與模擬仿真軟件（TCAD）進一步仿真了GAMS器件的自由載流子的調控特性，通過優化吸收區摻雜濃度，該器件展示出較高的黑體響應，結果如圖3所示。

圖3 GAMS器件的自由載流子控制特性

最后，為抑制反向偏壓器件的熱漂移噪聲，研究人員采用了金和石墨烯電極的組合，用石墨烯覆蓋GAMS結構的表面，輔助GAMS結構耗盡。石墨烯輔助耗盡器件響應光譜的動態調制效果如圖4所示。

圖4 石墨烯輔助耗盡器件響應特性

在這項工作中設計并制造了基于Mie介質超構表面的電門控GAMS結構，該結構由單層石墨烯和摻雜Mie介質光柵組成。在長波超晶格器件上制備了GAMS結構后，器件的光電響應可以通過外加偏置實現動態調節。Mie多光譜探測器在長波波段實現了340 nm的連續動態調諧，器件D*達到5×101?cm·Hz1/2。總體而言，該Mie多光譜探測器具有高速、高性能、超緊湊、制造可擴展性和FPA兼容性的優點，為長波波段像素級集成高性能動態多色探測器提供了一種新的解決思路。

這項研究項目獲得了國家自然科學基金、國家自然科學基金重大項目、中科院“西部之光”計劃、中國科學院重點研究計劃等支持。

審核編輯：彭菁