本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器。

背景技術(shù)：
量子阱探測器是一種工作在中遠(yuǎn)紅外、太赫茲頻段的重要探測器。太赫茲量子阱探測器是太赫茲頻段具有重要應(yīng)用前景的光子型探測器，具有靈敏度高、探測速度快和窄帶響應(yīng)等特點(diǎn)。這種探測器的主要結(jié)構(gòu)包括上接觸層、多量子阱層和下接觸層。量子阱數(shù)在10～100之間，在量子阱生長方向上，器件的厚度在2.0～5.0μm之間。通過摻雜在量子阱中引入束縛電子，由于拋物線形的能量色散關(guān)系，這些束縛電子僅能吸收在量子阱生長方向上有電場分量的光子，實(shí)現(xiàn)從束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)或準(zhǔn)連續(xù)態(tài)的躍遷，這就是太赫茲量子阱探測器的極性選擇定則。器件工作時(shí)在上下接觸層之間施加偏壓(具體數(shù)值視量子阱數(shù)量及工作波長確定)，如果有符合量子阱探測器極性選擇定則的光入射，束縛電子躍遷到連續(xù)態(tài)或準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，在外加偏壓作用下形成光電流，實(shí)現(xiàn)光-電信號的轉(zhuǎn)化。對于正入射的光(入射光方向與量子阱生長方向一致)，不會引起束縛電子的躍遷，無法形成光電流。因此，通常要改變?nèi)肷涔獾姆较蚧蜻x擇能夠改變?nèi)肷涔鈽O化方向的耦合方法。由于太赫茲量子阱探測器是基于子帶間躍遷的單極器件，需要采用特殊的光耦合方式以獲得符合子帶躍遷選擇定則的入射光。對于太赫茲量子阱探測器單元器件來說，45度角入射的方式能夠?qū)崿F(xiàn)光耦合，具體做法是在器件側(cè)面連同承載器件的襯底，研磨出與器件生長方向成45度角的鏡面，使入射光垂直這一鏡面入射，以獲得量子阱生長方向上的電場分量。然而，對45度角入射光耦合方式來說，只有占總?cè)肷淠芰?5％的光有可能被利用。因此，提供一種高子帶吸收效率，高響應(yīng)率和高工作溫度的太赫茲量子阱探測器實(shí)屬必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中子帶吸收效率，響應(yīng)率和工作溫度均較低的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，至少包括：半導(dǎo)體襯底；金屬反射層，結(jié)合于所述半導(dǎo)體襯底；多量子阱結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合于所述金屬反射層的下電極、結(jié)合于所述下電極的GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層、以及結(jié)合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層的上電極；金屬光柵，結(jié)合于所述多量子阱結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)間隔排列的金屬條；所述金屬光柵、多量子阱結(jié)構(gòu)與金屬反射層組成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的金屬共振微腔。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述金屬反射層的材料為Al、Cu、Au、Pt或其任意組合的合金。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述金屬光柵的周期為10～30μm，所述金屬條的寬度為5～15μm。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為2～10μm。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的數(shù)量為10～40個(gè)，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的寬度為10～20nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩爾比為1％～5％。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述金屬光柵的厚度為0.2～0.8μm。在本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器中，所述上、下電極均為n型摻雜的n-GaAs層，電子摻雜濃度為1.0×1017～5.0×1017/cm3。作為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的一個(gè)優(yōu)選方案，所述金屬共振微腔為0級法布里-珀羅共振模，其中，所述金屬光柵的周期為20μm，所述金屬條的寬度為6.5μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為2μm。作為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的一個(gè)優(yōu)選方案，所述金屬共振微腔為1級法布里-珀羅共振模，其中，所述金屬光柵的周期為20μm，所述金屬條的寬度為8μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為6μm。如上所述，本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，具有以下有益效果：本發(fā)明包括：半導(dǎo)體襯底、金屬反射層、多量子阱結(jié)構(gòu)、以及金屬光柵。所述金屬光柵、多量子阱結(jié)構(gòu)與金屬反射層組成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的金屬共振微腔，調(diào)整所述金屬光柵的周期、金屬條的寬度以及多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度，使入射光子在腔體內(nèi)形成符合法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的共振模，可以在金屬共振微腔中形成強(qiáng)場區(qū)，提高了入射光的有效強(qiáng)度，進(jìn)而提高器件的響應(yīng)率、探測靈敏度和工作溫度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，效果顯著，實(shí)用性強(qiáng)，適用于工業(yè)生產(chǎn)。附圖說明圖1a顯示為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖1b顯示為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的歸一化|Ez|2分布圖。圖3顯示為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的金屬共振微腔中|Ez|2分量的體積平均值與傳統(tǒng)45度角耦合下器件內(nèi)|Ez|2體積平均值的比值圖。圖4顯示為本發(fā)明金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器的光電流譜和能帶結(jié)構(gòu)圖。元件標(biāo)號說明11半導(dǎo)體襯底12金屬反射層13多量子阱結(jié)構(gòu)131下電極1321及1322GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層133上電極14金屬光柵具體實(shí)施方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請參閱圖1a至圖4。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。實(shí)施例1請參閱圖1a～圖4，如圖所示，本發(fā)明提供一種金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，至少包括：半導(dǎo)體襯底11；金屬反射層12，結(jié)合于所述半導(dǎo)體襯底11；多量子阱結(jié)構(gòu)13，包括結(jié)合于所述金屬反射層12的下電極131、結(jié)合于所述下電極131的GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層1321及1322、以及結(jié)合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層1321及1322的上電極133；金屬光柵14，結(jié)合于所述多量子阱結(jié)構(gòu)13，包括多個(gè)間隔排列的金屬條；所述金屬光柵14、多量子阱結(jié)構(gòu)13與金屬反射層12組成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的金屬共振微腔。在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底11為GaAs襯底，當(dāng)然，在其它的實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底11可能為InP襯底或GaN襯底等。所述金屬反射層12的材料為Al、Cu、Au、Pt或其任意組合的合金。在本實(shí)施例中，所述金屬反射層12的材料為Au，當(dāng)然在其它實(shí)施例中，所述金屬反射層12的材料為可以為Pt，Pt、Au合金、Al、Au合金或者其它預(yù)期的金屬合金材料或金屬疊層。在傳統(tǒng)的量子阱探測器中增加了金屬反射層12，使入射的光經(jīng)過反射后形成共振，可以大大增大器件的耦合效率。所述金屬光柵14的周期為10～30μm，所述金屬條的寬度為5～15μm。在本實(shí)施例中，所述金屬光柵14的周期為20μm，所述金屬條的寬度為6.5μm。所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度為2～10μm。在本實(shí)施例中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度為2μm。所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層1321及1322中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的數(shù)量為10～40個(gè)，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的寬度為10～20nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩爾比為1％～5％。在本實(shí)施例中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的數(shù)量為10個(gè)，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的寬度為15.5nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩爾比為3％。所述金屬光柵14的厚度為0.2～0.8μm。在本實(shí)施例中，所述金屬光柵14的厚度為0.5μm。所述上、下電極131均為n型摻雜的n-GaAs層，電子摻雜濃度為1.0×1017～5.0×1017/cm3。依據(jù)麥克斯韋方程可以得出，金屬共振微腔的共振波長由金屬光柵的周期、金屬條的寬度、量子阱結(jié)構(gòu)的厚度及量子阱結(jié)構(gòu)的折射率決定，由于量子阱結(jié)構(gòu)的折射率基本固定，通過采用有限元方法和數(shù)值計(jì)算方法求解麥克斯韋方程的方法可以得出金屬光柵的周期、金屬條的寬度、量子阱結(jié)構(gòu)的厚度的關(guān)系，依此為依據(jù)所進(jìn)行設(shè)計(jì)的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，具有Ez分布較均勻，金屬共振微腔的共振頻率與太赫茲量子阱探測器峰值響應(yīng)波長一致的特點(diǎn)。在本實(shí)施例中，所述金屬光柵的周期為20μm，所述金屬條的寬度為6.5μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為2μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的折射率為3.3，對于本實(shí)施例的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，符合0級法布里-珀羅共振模。如圖2～圖4所述，在本實(shí)施例中，利用有限元分析軟件計(jì)算不同金屬微腔結(jié)構(gòu)參數(shù)下共振時(shí)場強(qiáng)|Ez|2的分布圖來說明金屬微腔耦合效率提高的效果，計(jì)算中GaAs折射率為3.3。其中，入射波為線性極化單色平面波，將垂直金屬光柵平面的方向定義為z方向，并在z方向引入理想匹配層，用以消除邊界的虛假反射。探測器的峰值響應(yīng)頻率為5.4THz。圖2顯示為頻率為5.4THz下歸一化|Ez|2分布圖。如圖2(a)所示，金屬共振微腔的0級模的|Ez|2最大值出現(xiàn)在金屬條的邊緣處，沿z方向衰減較快，因此選擇較薄的金屬共振微腔有利于得到更高的耦合效率。故在本實(shí)施例中，多量子阱結(jié)構(gòu)的厚度選擇為2μm時(shí)，可有效提高耦合效率。圖3顯示為金屬共振微腔中|Ez|2分量的體積平均值與傳統(tǒng)45度角耦合下器件內(nèi)|Ez|2體積平均值的比值?？梢钥闯鲈诠舱穹?.4THz處，金屬共振微腔的0級模在線性子帶吸收情況下，其峰值耦合效率是傳統(tǒng)45度角耦合的100余倍，因此可以大大提高太赫茲量子阱探測器的響應(yīng)率和工作溫度。圖4顯示為響應(yīng)峰值為5.4THz的太赫茲量子阱探測器的光電流譜和能帶結(jié)構(gòu)。GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al組分為3％，GaAs/(Al，Ga)As量子阱寬度為15.5nm，GaAs/(Al，Ga)As量子阱中心10nm區(qū)域摻雜濃度6.0×1016/cm3。GaAs/(Al，Ga)As量子阱的第2子帶處于略低于勢壘高度的位置，使第1第2子帶間有較大的子帶躍遷偶極矩，同時(shí)在適當(dāng)外加偏壓下，第2子帶上的光激發(fā)電子可以很快通過隧穿和散射轉(zhuǎn)移到連續(xù)態(tài)，形成光電流。光電流譜的峰值響應(yīng)頻率與金屬微腔的共振頻率一致，兩者大部分交疊，保證了金屬微腔耦合太赫茲量子阱探測器有很高的耦合效率，可以大大提高太赫茲量子阱探測器的工作性能。實(shí)施例2請參閱圖1a～圖4，如圖所示，本發(fā)明提供一種金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，至少包括：半導(dǎo)體襯底11；金屬反射層12，結(jié)合于所述半導(dǎo)體襯底11；多量子阱結(jié)構(gòu)13，包括結(jié)合于所述金屬反射層12的下電極131、結(jié)合于所述下電極131的GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層1321及1322、以及結(jié)合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱疊層1321及1322的上電極133；金屬光柵14，結(jié)合于所述多量子阱結(jié)構(gòu)13，包括多個(gè)間隔排列的金屬條；所述金屬光柵14、多量子阱結(jié)構(gòu)13與金屬反射層12組成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的金屬共振微腔。在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底11為GaAs襯底。所述金屬反射層12的材料為Au與Al合金，所述金屬光柵14的周期為20μm，所述金屬條的寬度為8μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度為6μm。所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的數(shù)量為30個(gè)，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的寬度為15.5nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩爾比為3％，所述金屬光柵14的厚度為0.5μm。所述上、下電極131均為n型摻雜的n-GaAs層，電子摻雜濃度為1.0×1017～9.0×1017/cm3。在本實(shí)施例中，所述金屬光柵14的周期為20μm，所述金屬條的寬度為8μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度為6μm，所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的折射率為3.3，對于本實(shí)施例的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，符合1級法布里-珀羅共振模。如圖2～圖4所述，在本實(shí)施例中，利用有限元分析軟件計(jì)算不同金屬微腔結(jié)構(gòu)參數(shù)下共振時(shí)場強(qiáng)|Ez|2的分布圖來說明金屬微腔耦合效率提高的效果，計(jì)算中GaAs折射率為3.3。其中，入射波為線性極化單色平面波，將垂直金屬光柵14平面的方向定義為z方向，并在z方向引入理想匹配層，用以消除邊界的虛假反射。探測器的峰值響應(yīng)頻率為5.4THz。圖2顯示為頻率為5.4THz下歸一化|Ez|2分布圖。圖2(b)顯示1級模電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在金屬條邊緣處和底面金屬反射層12附近，而且場強(qiáng)分布比0級模的分布更均勻。因此選擇較厚的金屬腔有利于得到更高的耦合效率且更均勻的場強(qiáng)分布。故本實(shí)施例中，將所述多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度設(shè)計(jì)為6μm時(shí)，可有效提高耦合效率并提高耦合的均勻性。圖3顯示為金屬共振微腔中|Ez|2分量的體積平均值與傳統(tǒng)45度角耦合下器件內(nèi)|Ez|2體積平均值的比值?？梢钥闯鲈诠舱穹?.4THz處，金屬共振微腔的1級模在線性子帶吸收情況下，其峰值耦合效率是傳統(tǒng)45度角耦合的100余倍，因此可以大大提高太赫茲量子阱探測器的響應(yīng)率和工作溫度。圖4顯示為響應(yīng)峰值為5.4THz的太赫茲量子阱探測器的光電流譜和能帶結(jié)構(gòu)。GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al組分為3％，GaAs/(Al，Ga)As量子阱寬度為15.5nm，GaAs/(Al，Ga)As量子阱中心10nm區(qū)域摻雜濃度6.0×1016/cm3。GaAs/(Al，Ga)As量子阱的第2子帶處于略低于勢壘高度的位置，使第1第2子帶間有較大的子帶躍遷偶極矩，同時(shí)在適當(dāng)外加偏壓下，第2子帶上的光激發(fā)電子可以很快通過隧穿和散射轉(zhuǎn)移到連續(xù)態(tài)，形成光電流。光電流譜的峰值響應(yīng)頻率與金屬微腔的共振頻率一致，兩者大部分交疊，保證了金屬微腔耦合太赫茲量子阱探測器有很高的耦合效率，可以大大提高太赫茲量子阱探測器的工作性能。綜上所述，本發(fā)明的金屬微腔光耦合太赫茲量子阱光子探測器，包括：半導(dǎo)體襯底11、金屬反射層12、多量子阱結(jié)構(gòu)13、以及金屬光柵14。所述金屬光柵14、多量子阱結(jié)構(gòu)13與金屬反射層12組成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的金屬共振微腔，調(diào)整所述金屬光柵14的周期、金屬條的寬度以及多量子阱結(jié)構(gòu)13的厚度，使入射光子在腔體內(nèi)形成符合法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的共振模，可以在金屬共振微腔中形成強(qiáng)場區(qū)，提高了入射光的有效強(qiáng)度，進(jìn)而提高器件的響應(yīng)率、探測靈敏度和工作溫度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，效果顯著，實(shí)用性強(qiáng)，適用于工業(yè)生產(chǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。