專利名稱：用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光耦合器及其設(shè)計方法，特別涉及一種用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵及其設(shè)計方法。屬于半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)波是指電磁波譜中頻率從IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相應(yīng)波長從3毫米到10微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區(qū)域。由于在國防安全、反恐、 醫(yī)療成像、物質(zhì)鑒別及環(huán)境監(jiān)測等方面具有極高的應(yīng)用價值，THz科技逐步受到了人們越來越多的關(guān)注。THz量子阱探測器(THzQWP)是基于GaAs/AWaAs多量子阱材料體系的半導(dǎo)體光電探測器。GaAs/AWaAs多量子阱中的子帶間躍遷最早于1985年在實驗上觀測到，隨后被運用到紅外量子阱探測器(QWIP)中。THzQWP是QWIP在THz波段的自然擴展，最早的THzQWP 由加拿大的劉惠春教授等人于2004年提出。從工作原理上看，THzQffP是一種子帶間躍遷型(ISBT)探測器，無光照時，電子處于量子阱的束縛態(tài)中，在THz光場作用下，量子阱中的電子吸收光場能量，由束縛態(tài)躍遷到連續(xù)態(tài)或準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，在外加偏壓的作用下形成光電流，從而實現(xiàn)對THz波的探測。根據(jù)量子力學(xué)，ISBT的選擇定則決定了這種類型的探測器對平行于多量子阱層的電磁場偏振分量沒有響應(yīng)。這就是說，如果入射光沿著器件的生長方向照射(器件的正面或背面，即通常所說的正入射和背入射)，ISBT不會發(fā)生，也不會產(chǎn)生光電流。因此，在實驗研究中，通常的做法是將光斜入射到器件中，使得入射光場包含平行于量子阱生長方向的偏正分量，比如沿著QWP表面的布魯斯特角方向入射，或者是將QWP的端面磨成45度角，再沿著這個端面入射。然而在THz的諸多應(yīng)用中，與國防安全和醫(yī)療診斷相關(guān)的一項重要應(yīng)用是THz實時成像。這就需要將探測器組合成焦平面陣列，入射光須垂直于焦平面。所以對于THzQWP焦平面陣列，以上提到的斜入射方案不再適用，而必須在器件的表面制作光耦合器，將垂直于量子阱生長方向的偏振電場部分轉(zhuǎn)化為沿平行方向的偏振，以實現(xiàn)正入射情況下的ISBT。光柵是最常用的光耦合器之一，如標(biāo)準(zhǔn)的反射式光柵、一維金屬光柵、V字型光柵、 金屬網(wǎng)格光柵和無序光柵等。其中一維金屬光柵相對簡單實用，容易制備且具有可觀的耦合效率。通常一維金屬光柵的設(shè)計基于簡單的光柵方程，且在GaAs/AWaAs材料體系中，光柵材料一般采用Ti/Pt/Au。圖1給出了一維金屬光柵耦合THzQWP的結(jié)構(gòu)示意圖。鑒于此，本發(fā)明根據(jù)THz波及THzQWP的結(jié)構(gòu)特點，提出一種高效的THzQWP光柵設(shè)計方法，對研制高性能正入射工作的THzQWP，以及THz實時成像的研究和實現(xiàn)具有重要的
眉、ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵及其設(shè)計方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵，其特征在于該一維金屬光柵的周期d等于對應(yīng)太赫茲量子阱探測器的峰值響應(yīng)頻率在所述太赫茲量子阱探測器的器件材料中的波長λρΜ 。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述一維金屬光柵的材料為金Au。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述一維金屬光柵的厚度小于1 μ m。當(dāng)材料為金Au時， 所述一維金屬光柵的厚度優(yōu)選為0. 4 μ m。上述用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，包括如下步驟1)根據(jù)太赫茲量子阱探測器的峰值響應(yīng)頻率在該太赫茲量子阱探測器的器件材料中的波長Xpeak設(shè)計一維金屬光柵的周期d，使d= Apeak52)計算一維金屬光柵與器件材料界面處電磁場損耗的大小來選取電磁場損耗小的金屬作為一維金屬光柵的材料；3)設(shè)計一維金屬光柵的厚度。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟1)中，利用紅外傅里葉變換光譜儀測量45度角端面入射情況下所述太赫茲量子阱探測器的光電流譜，得到器件的本征響應(yīng)區(qū)域及峰值響應(yīng)頻率f，然后計算峰值響應(yīng)頻率f對應(yīng)的太赫茲波在器件材料中的波長λ peak,使一維金屬光柵的周期d= xpeak。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟2)中，根據(jù)金屬的電導(dǎo)率越高電磁場損耗越小的關(guān)系，選取電導(dǎo)率高的金屬作為所述一維金屬光柵的材料。進一步地，選取所述一維金屬光柵的材料為金Au。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟3)中，選取一維金屬光柵的厚度為Iym以下，當(dāng)材料選取金Au時，所述一維金屬光柵的厚度優(yōu)選為0. 4μπι。本發(fā)明的有益效果在于該方法可為太赫茲量子阱探測器提供一種高效的一維金屬光柵，實現(xiàn)高性能正入射情況下工作的THzQWP，對基于焦平面陣列的THz實時成像的研究和應(yīng)用具有重要意義。


以下是對本發(fā)明涉及的各示意圖的闡述。圖1為一維金屬光柵耦合THzQWP器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例中45度角端面入射實驗配置示意圖；圖3為實施例中器件有源區(qū)中平均光強隨光柵周期變化的關(guān)系圖；圖4為實施例中器件有源區(qū)中平均光強隨光柵厚度變化的關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，以一個實際的THzQWP器件為例，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
。THzQffP 器件編號TQWPA。TQffPA的峰值響應(yīng)頻率 3. OTHz。第一步，設(shè)計光柵周期
采用紅外傅里葉變化光譜儀測得了 45度角端面入射(圖幻情況下TQWPA的光電流譜，得到響應(yīng)區(qū)域約為1. 0-5. OTHz,響應(yīng)峰值約為3. OTHz。如果按照通常的一維金屬光柵設(shè)計方法，根據(jù)光柵方程mA = nd(sina +sin^ )其中m是衍射級數(shù)，λ為入射波長，η為介質(zhì)介電函數(shù)，d為光柵周期，α和β分別為入射角和衍射角。為保證在器件響應(yīng)區(qū)域內(nèi)存在至少1級(含1級)以上的衍射模，那么光柵周期應(yīng)該為d λ·/η其中λ max為器件主要響應(yīng)區(qū)域最低頻率所對應(yīng)的波長，取λ_ = 200ym, η = 3. 2，則光柵周期為d = 62. 5 μ m。本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)器件的具體結(jié)構(gòu)，對器件有源區(qū)(多量子阱層)中的電場分布進行了模擬，并計算了平均光強隨光柵周期的變化關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光柵周期與峰值響應(yīng)頻率對應(yīng)的波長(在器件材料中)相等時，光柵耦合效率最大，如圖4所示。所以在本發(fā)明的設(shè)計方案中，根據(jù)器件的響應(yīng)峰值頻率確定光柵的截止頻率，進而設(shè)計光柵的周期，取光柵的周期d為其峰值峰值響應(yīng)頻率在器件材料中的波長λρΜ 。對于TQWPA，峰值響應(yīng)頻率約為3. OTHz，對應(yīng)的波長為27. 5 μ m，所以取TQWPA的光柵周期為27. 5 μ m。第二步選取光柵材料在金屬光柵與半導(dǎo)體材料的界面處，電磁場存在損耗，金屬的介電函數(shù)可表示為
①2εΜ{ω) = \Μ
ω[ω + ιοΜ)其中ω為電磁場頻率，ωΜ為金屬等離子體頻率，δ Μ為衰減率，決定了電磁場損耗的大小。電導(dǎo)率較高的金屬、較低，金的電導(dǎo)率較高，性質(zhì)穩(wěn)定，半導(dǎo)體工藝成熟，所以光柵材料可以選取金。半導(dǎo)體工藝中，在GaAs表面生長金之前通常先生長鈦和鉬兩個薄層，形成Ti/Pt/ Au，或者先生長鈀、鍺、鈀、銦四個薄層形成Pd/Ge/Pd/In/Au，目的在于形成良好的電接觸并增加Au的附著力。然而Ti和Pd的電導(dǎo)率遠低于Au，對電磁場會引入很大的金屬耗散，所以在生長金屬光柵時可直接生長Au減小損耗。第三步設(shè)計光柵厚度半導(dǎo)體工藝中，通常采用電子束蒸發(fā)在GaAs表面生長金，生長厚度通常為幾百納米，最厚不超過2.5μπι。本實施例模擬了器件中的光強與金的厚度的關(guān)系，如圖5所示。在模擬范圍內(nèi)，光強隨金的厚度增加而增大，但增大幅度不超過10%?？紤]到高純金的使用量及通常半導(dǎo)體工藝中的生長厚度，可以優(yōu)選光柵厚度為0.4μπι。第四步器件的制備在TQWPA器件的臺面上涂上光刻膠，用占空比為50%的光柵掩模板進行曝光，在器件臺面上形成光柵的圖案。通過電子束蒸發(fā)在具有光柵圖案的臺面上生長一層約0. 4 μ m 厚的金，隨后采用剝離技術(shù)洗掉光刻膠并一同去掉附著在光刻膠上的金，從而形成最終的一維金屬光柵。制成的光柵器件響應(yīng)率為0.2A/W，這一數(shù)值遠高于目前已有報道的光柵 THzQffP的響應(yīng)率。
本發(fā)明金屬光柵耦合太赫茲量子阱探測器的光柵設(shè)計方法通過設(shè)計合理的光柵周期、厚度及選取合適的光柵材料，可實現(xiàn)高性能的光柵耦合THzQWP，為THzQWP陣列的開發(fā)和成像應(yīng)用提供了研究手段。本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵，其特征在于該一維金屬光柵的周期d等于對應(yīng)太赫茲量子阱探測器的峰值響應(yīng)頻率在所述太赫茲量子阱探測器的器件材料中的波長λρ_。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵，其特征在于所述一維金屬光柵的材料為金Au。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵，其特征在于所述一維金屬光柵的厚度小于ι μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵，其特征在于所述一維金屬光柵的厚度為0. 4 μ m。
5.用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟1)根據(jù)太赫茲量子阱探測器的峰值響應(yīng)頻率在該太赫茲量子阱探測器的器件材料中的波長λ peak設(shè)計一維金屬光柵的周期d，使d = λ peak ；2)計算一維金屬光柵與器件材料界面處電磁場損耗的大小來選取電磁場損耗小的金屬作為一維金屬光柵的材料；3)設(shè)計一維金屬光柵的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于步驟1)中，利用紅外傅里葉變換光譜儀測量45度角端面入射情況下所述太赫茲量子阱探測器的光電流譜，得到器件的本征響應(yīng)區(qū)域及峰值響應(yīng)頻率f，然后計算峰值響應(yīng)頻率f對應(yīng)的太赫茲波在器件材料中的波長λ peak，使一維金屬光柵的周期d= Apeako
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于步驟2)中，根據(jù)金屬的電導(dǎo)率越高電磁場損耗越小的關(guān)系，選取電導(dǎo)率高的金屬作為所述一維金屬光柵的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于步驟幻選取所述一維金屬光柵的材料為金Au。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于步驟3)選取一維金屬光柵的厚度為1 μ m以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵的設(shè)計方法，其特征在于步驟3)選取一維金屬光柵的厚度為0. 4 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于太赫茲量子阱探測器的一維金屬光柵及其設(shè)計方法。該一維金屬光柵的周期d等于對應(yīng)太赫茲量子阱探測器的峰值響應(yīng)頻率在所述太赫茲量子阱探測器的器件材料中的波長λpeak。其設(shè)計方法包括如下步驟1)測量器件在45度角端面入射情況下的光電流譜，確定器件的響應(yīng)峰值，根據(jù)器件的峰值響應(yīng)頻率確定光柵的截止頻率，進而設(shè)計光柵的周期；2)選取合適的光柵材料；3)設(shè)計合適的光柵厚度。該方法可通過紅外傅里葉變換光譜儀測量得到器件的本征響應(yīng)區(qū)域及響應(yīng)峰值，計算出峰值響應(yīng)頻率在器件材料中的波長λpeak，從而設(shè)計光柵的周期為d=λpeak。本發(fā)明對高性能太赫茲量子阱探測器的實現(xiàn)及其成像應(yīng)用具有重要意義。
文檔編號G02B5/18GK102386245SQ20111005220
公開日2012年3月21日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者張戎, 曹俊誠, 郭旭光 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所