專利名稱：一種基于表面等離子體微腔的多色量子阱光子探測器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光波探測器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微腔結(jié)構(gòu)的多色(多波長)半導(dǎo)體量子阱探測器件。
背景技術(shù)：
采用量子阱結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行光探測，是中遠(yuǎn)紅外波段光探測的主要技術(shù)之一。然而，一方面，半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的光波吸收受該領(lǐng)域廣泛認(rèn)知的“極化選擇定律”的限制，即量子阱只能吸收具有與量子阱平面垂直的電場分量的光波，而對實際應(yīng)用中絕大部分情況出現(xiàn)的垂直入射光波吸收極小，如參見文獻(xiàn)I。因而在實際的器件必須結(jié)合傾角入射(如文獻(xiàn)2)、光柵耦合(如文獻(xiàn)9)或刻蝕槽結(jié)構(gòu)(如文獻(xiàn)10)。為克服這一問題，采用具有亞波長周期性金屬孔陣列作為光波耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了量子阱結(jié)構(gòu)對垂直入射的光波的有效吸收(文獻(xiàn)7)，這主要利用的是被稱之為“表面等離激元”的光學(xué)技術(shù)，它能夠?qū)⒋怪比肷涞墓廪D(zhuǎn)變?yōu)檠亟饘俦砻鎮(zhèn)鞑サ碾姶挪Ｊ?如文獻(xiàn)3)。另一方面,在紅外成像中，由于實際物體并不是嚴(yán)格的意義上的黑體，因此往往需要同時探測多個波長才能得到正確的圖像(如文獻(xiàn)4)。已經(jīng)公開的利用亞波長金屬孔陣列作為量子阱探測器的光耦合器件的技術(shù)中，主要應(yīng)用的是一層金屬的孔陣列結(jié)構(gòu)，這種耦合器件雖然相對早期的斜角入射、光柵耦合等效率均有一定提高，但效率仍然較低(吸收率7-10%，如文獻(xiàn)5)。已經(jīng)公開的多色量子阱探測器也主要是應(yīng)用幾種不同周期的光柵拼接在一起，這種拼接不僅增加了工藝難度，而且造成幾種波長探測之間的相互干擾，即優(yōu)化某一波長的探測效率必然會犧牲其他波長的探測效率(如文獻(xiàn)6)。為克服這兩個問題，本發(fā)明采用一層金屬孔陣列結(jié)構(gòu)和一層沒有任何孔結(jié)構(gòu)的金屬膜構(gòu)成的表面等離子體微腔，將量子阱放置于微腔中，利用微腔中的多個共振模式實現(xiàn)了多色探測，而且量子阱探測器吸收效率的相對單層的金屬孔陣列結(jié)構(gòu)也有5倍的提聞。參考文獻(xiàn).J. L. Pan and C. G. Fonstad, Jr. , “Theory, fabrication and characterization of quantum well infrared photodetectors，，，Mater. Sci. Eng., R. Vol. 28, page 65, 2000..A. Rogalski, “Quantum well photoconductors in infrared detector technology，，，J. AppI. Phys. Vol. 93, page 4355, 2003..S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, New York, 2007:21-26.H. Schneider and H. C. Liu, Quantum Well Infrared Photodetectors, Springer, Berlin, 2007 :5_7.C.C. Chang et al. , “A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots ” Nano Letters 10 (2010) 1704..H. Schneider and H. C. Liu, Quantum Well Infrared Photodetectors,
3Springer, Berlin, 2007 :191-196.,安正華等.一種半導(dǎo)體量子阱光子探測器[P].中國專利200810039212.5， 2008-11-15.Method for optimizing QffIP grating depth, US 專利 6，172，379..Polarization-sensitivecorrugated quantum well infrared photodetector array, US 專利 6, 410, 917。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、探測性能高的光波探測元件，以滿足在垂直入射光波、多波長同時進(jìn)行光波探測應(yīng)用的需要。本發(fā)明提供的光波探測元件，是一種基于表面等離子體微腔的多色量子阱光子探測器件，其包括以下幾個部分
由刻有周期性孔陣列結(jié)構(gòu)的第一金屬膜110和另一未刻蝕任何結(jié)構(gòu)的第二金屬膜102 組成的微腔。該微腔的厚度即第一金屬膜110和第二金屬膜102之間的距離小于探測光在量子阱中波長。應(yīng)注意，雖然圖I中示意圖畫出了 2X2個十字孔，實際上為十字孔陣列，比如50X50十字孔陣列。該微腔的作用主要是將探測光耦合進(jìn)微腔內(nèi)部，并降低微腔中的光的逃逸速度，增加光與量子阱的作用時間。微腔中至少有兩組量子阱層(如兩組量子阱層104和108)，每組量子阱層由一定數(shù)目的量子阱或超晶格組成，每層量子井或超晶格都含有合適的載流子濃度，并至少具有兩個能級；量子阱的作用是吸收微腔中的光，通過子帶躍遷的方式將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。相鄰兩組量子井中間有一層電極(如兩組量子阱層104和108之間有一層電極 106)，該電極為重?fù)诫s的GaAs材料，主要是提供引出導(dǎo)線的作用。另外，第一金屬膜110第二金屬膜102也可以作為電極。這些電極提供量子阱探測器的外接電路電極。該量子阱探測器的工作原理是入射光波112從具有孔陣列的第一金屬膜110表面進(jìn)行入射，激發(fā)第一金屬膜110與量子阱層界面的表面等離子體波，這樣入射光通過轉(zhuǎn)化為表面等離子體波被耦合進(jìn)了微腔內(nèi)，在微腔中，各組量子阱層吸收表面等離子體波后發(fā)生子帶躍遷，在將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，探測過程結(jié)束。本發(fā)明中，所述的量子阱光子探測器件100，其中，量子阱層可以是2組(如量子阱層104和108)，也可以2組以上的多層量子阱或超晶格，也可以是量子點層或其相互間形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)；但也可以是一組量子阱結(jié)構(gòu)，其多色探測功能可以通過外加不同大小的偏壓來實現(xiàn)。本發(fā)明中，所述的量子阱層應(yīng)具有合適的摻雜濃度(一般為IO17-IO1Vcm3),使得量子阱中基態(tài)能級具有足夠的載流子數(shù)，當(dāng)載流子吸收光波能量時可發(fā)生子帶躍遷，但躍遷的種類可以是基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)或第二激發(fā)態(tài)等能級的躍遷，或者為基態(tài)到連續(xù)態(tài)的躍遷，或者多種子帶躍遷同時發(fā)生。本發(fā)明中，所述的半導(dǎo)體量子阱光子探測器件100，其中，第一金屬膜110具有亞波長尺度的周期性孔陣列結(jié)構(gòu)。該周期性孔陣列并不局限于十字孔結(jié)構(gòu)，其他微孔結(jié)構(gòu)如圓形、矩形等也可以；微孔可以按矩形、平行四邊形等二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性排列(圖2 (a) (b));金屬膜的材料是Au、Ag等對入射光波112吸收很弱的金屬，金屬膜110的厚度由器件探測性能的需要所決定，一般為20-1000納米。本發(fā)明中，所述的光子探測過程，其中，探測光波的波長由量子阱層(如104和 108)中的子帶躍遷和第一金屬膜110界面的表面等離子體模式共同決定，一般但不限于中遠(yuǎn)紅外波段。本發(fā)明涉及的光波探測元件的特征在于具備在半導(dǎo)體基板上的可進(jìn)行能帶工程設(shè)計的量子阱結(jié)構(gòu)；具備金屬亞波長周期性結(jié)構(gòu)的微腔，其表面等離子體波可以通過金屬周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)；量子阱被放置于微腔中，使得微腔中表面等離子體波與量子阱中子帶躍遷具有足夠的耦合強(qiáng)度，耦合的頻率匹配程度和單頻或多頻匹配由探測元件的性能需要決定，并通過量子阱和微腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。量子阱結(jié)構(gòu)的能帶工程設(shè)計是該領(lǐng)域所熟知的技術(shù)，為簡明起見，這里不詳細(xì)描述設(shè)計的方法和過程，最終采用的結(jié)構(gòu)可以是單層量子阱層，也可以是多層量子阱、超晶格、量子點層，以及它們相互間形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。量子阱子帶能級中基態(tài)存在足夠的載流子濃度，在光激發(fā)情況下，可發(fā)生從基態(tài)至一個或多個激發(fā)態(tài)的子帶躍遷。這繼承了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性以及成熟的工藝技術(shù)，使得本發(fā)明所涉及的光波探測元件可以根據(jù)探測應(yīng)用的需要，靈活地設(shè)計器件的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所采用的表面等離子體微腔結(jié)構(gòu)，在入射光的照射下，孔陣列金屬膜和量子阱界面能夠形成表面等離子體波。它一種非輻射狀態(tài)的光波，被約束在金屬/電介質(zhì)(量子阱)界面附近，電場的方向以垂直于界面的Z方向為主，這滿足了量子阱結(jié)構(gòu)對光波的極化選擇定律要求。其電場隨著遠(yuǎn)離界面呈指數(shù)衰減(沒有第二層金屬膜的情況下)，并在界面附近的近場范圍內(nèi)，表面等離子體波對電場具有增強(qiáng)作用。但是在亞波長范圍增加第二層金屬膜形成微腔后，表面等離子體波被微腔捕獲后便不能輕易逃逸出去，導(dǎo)致其與微腔中的量子阱的作用時間大大的增加，導(dǎo)致量子阱的吸收效率相對單層的孔陣列金屬結(jié)構(gòu)有高達(dá)5倍的提高。同時，電場遠(yuǎn)離周期性孔陣列金屬膜/量子阱界面也不再是指數(shù)衰減，衰減速率要小得多。為了使入射光波在金屬/量子阱界面激發(fā)表面等離子體模式，本發(fā)明在金屬層中采用亞波長孔周期性陣列結(jié)構(gòu)，需要滿足動量守恒條件要求
權(quán)利要求
1.一種基于表面等離子體微腔的多色量子阱光子探測器件，其特征在于包括由刻有周期性孔陣列結(jié)構(gòu)的第一金屬膜和另一未刻蝕任何結(jié)構(gòu)的第二金屬膜組成的微腔，該微腔的厚度即第一金屬膜和第二金屬膜之間的距離小于探測光在量子阱中波長； 該微腔的作用是將探測光耦合進(jìn)微腔內(nèi)部，并降低微腔中的光的逃逸速度，增加光與量子阱的作用時間；微腔中有至少兩組量子阱層，每組量子阱層由一定數(shù)目的量子阱或超晶格組成，每層量子井或超晶格都含有合適的載流子濃度，并至少具有兩個能級；量子阱的作用是吸收微腔中的光，通過子帶躍遷的方式將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；相鄰兩組量子井中間有一層電極，該電極為重?fù)诫s的GaAs材料，其作用是提供引出導(dǎo)線，同時第一金屬膜和第二金屬膜也作為電極，這些電極提供量子阱探測器的外接電路電極；入射光波從具有孔陣列結(jié)構(gòu)的第一金屬膜表面進(jìn)行入射，激發(fā)第一金屬膜與第一量子阱層界面的表面等離子體波，這樣入射光通過轉(zhuǎn)化為表面等離子體波被耦合進(jìn)微腔內(nèi)，在微腔中，各個量子阱層吸收表面等離子體波后發(fā)生子帶躍遷，在將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，探測過程結(jié)束。
2.如權(quán)利要求I所述的多色量子阱光子探測器件，其特征在于，所述量子阱層為兩組。
3.如權(quán)利要求2所述的多色量子阱光子探測器件，其特征在于，所述量子阱層具有摻雜濃度=IO17-IO1Vcm3，使得量子阱中基態(tài)能級具有足夠的載流子數(shù)，當(dāng)載流子吸收光波能量時可發(fā)生子帶躍遷。
4.如權(quán)利要求I所述的多色量子阱光子探測器件，其特征在于，所述第一金屬膜上的孔陣列結(jié)構(gòu)為十字孔陣列結(jié)構(gòu)，或者為圓形、矩形或三角形。
5.如權(quán)利要求I所述的多色量子阱光子探測器件，其特征在于，所述第一金屬膜的厚度為20-1000納米。
全文摘要
本發(fā)明屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于表面等離子體微腔的多色量子阱光子探測器件。該探測器包括一層亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)的金屬膜和一層完好的金屬膜組成的微腔；微腔中填塞兩種或兩種以上量子阱層，分別對應(yīng)探測波長，量子阱具有一定的載流子濃度，并至少具有兩個能級；不同量子阱層中間存在內(nèi)部電極供接入電路使用；一定頻譜寬度入射光波垂直或傾斜于孔陣列金屬膜入射，激發(fā)該孔陣列金屬膜/量子阱界面的表面等離子體，表面等離子體被捕獲于微腔中，被微腔中的量子阱吸收并發(fā)生子帶躍遷過程，躍遷的電子在外加偏壓下形成電流信號。本發(fā)明相對單層金屬孔陣列耦合的光子探測器，探測效率提高數(shù)倍，并能夠?qū)Χ嗖ㄩL的多色同時探測。
文檔編號H01L31/0352GK102593201SQ201110399778
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者周磊, 安正華, 毛飛龍, 沈?qū)W礎(chǔ), 陳張海 申請人:復(fù)旦大學(xué)