一種紅外量子阱光電探測器的吸收結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紅外量子阱光電探測器吸收結(jié)構(gòu)的設(shè)計，屬于亞波長光子學(xué)中光 學(xué)器件的領(lǐng)域。具體涉及一種金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收器結(jié)構(gòu)，可以高效的局 域紅外輻射，并且有效的增強(qiáng)電場Ez分量。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測器是一種對于紅外輻射進(jìn)行高靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件，其中14-16 微米甚長波紅外焦平面光電探測器是先進(jìn)武器系統(tǒng)和國防現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)。紅外光電探 測器按照材料體系可分為：最早發(fā)展的碲鎘汞（HgCdTe)體系，和從上個世紀(jì)八十年代發(fā)展 起來的量子阱紅外探測器（QWIP)。眾所周知，HgCdTe材料在甚長波的紅外光電轉(zhuǎn)換效率 將急劇降低，并且仍然存在著制備上的困難。與傳統(tǒng)材料HgCdTe制備的紅外探測器相比， 量子阱紅外探測器可以形成大面積、低功耗、低成本、高均勻性和高靈敏度的焦平面列陣 (FPA)成像系統(tǒng)。在線性陣列和焦平面陣列應(yīng)用中的快速發(fā)展，顯示了QWIP技術(shù)在長波紅 外大面積焦平面陣列和多色成像應(yīng)用方面的巨大潛力。
[0003] 但是，對于普遍使用的η型砷化鎵（GaAs)QWIP，由于量子吸收的選擇定則，只能夠 吸收量子阱區(qū)域垂直于量子阱平面的電場分量（Ez)。所以，為了提高器件的響應(yīng)率和探測 率，必須對QWIP器件進(jìn)行光學(xué)耦合處理，譬如45度磨角或者布魯斯特角幾何設(shè)計，這樣可 以使部分電場垂直于量子阱平面。然而對于二維成像聚焦平面陣列，需要入射電磁波垂直 入射到量子阱平面。因此采用一維、二維周期光柵、無序光柵等結(jié)構(gòu)改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ?向，使之可以被量子阱吸收。但是，更為高效的方法是可以利用共振吸收的思想，通過引入 光學(xué)共振結(jié)構(gòu)，顯著地提高在量子阱區(qū)域的局域電場強(qiáng)度，并針對性地提高電場分量（Ez)， 以提高量子阱的吸收效率。
[0004] 表面等離子體激元（SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)微結(jié)構(gòu)體系和金屬超構(gòu) 材料體系，由于可以有效的耦合入射電磁波到亞波長空間并且能夠產(chǎn)生很大的局域電場增 強(qiáng)，所以都是有效的光學(xué)耦合手段。例如，在長波紅外波段，通過使傳統(tǒng)的類似表面等離子 體基元（Spoofsurfaceplasmon，SSPs)和波導(dǎo)模式雜化的方式，產(chǎn)生雜化SSPs模式，可以 有效的耦合入射電場到波導(dǎo)模式并產(chǎn)生"完美"的遠(yuǎn)場吸收。另外，一種存在于金屬-介質(zhì) (半導(dǎo)體）_金屬體系中的微腔模式，通過耦合入射電場在介質(zhì)（半導(dǎo)體）微腔中共振，可以 有效的提高光和物質(zhì)的相互作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服量子阱紅外光電探測器對正入射的紅外輻射不吸收的缺 陷，為探測器提供一種吸收結(jié)構(gòu)，通過引入可調(diào)的微腔模式和雜化SSPs模式的耦合，能顯 著地提高的量子阱區(qū)域?qū)t外輻射的吸收。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，
[0007] -種紅外量子阱光電探測器的吸收結(jié)構(gòu)，用于耦合入射電磁波到量子阱活性區(qū) 域，所述吸收結(jié)構(gòu)包括上金屬層、中間半導(dǎo)體層和下金屬層，其中，上金屬層為周期性的金 屬方塊陣列，中間半導(dǎo)體層為量子阱層，下金屬層為表面帶有周期性金屬方塊陣列的金屬 平板。
[0008] 進(jìn)一步地，所述中間半導(dǎo)體層還包括緩沖層，量子阱層設(shè)置在緩沖層的中間。
[0009] 優(yōu)選地，所述緩沖層的材料為半導(dǎo)體。
[0010] 所述上金屬層的金屬方塊陣列和下金屬層上的金屬方塊陣列具有相同的周期和 對稱性。
[0011] 優(yōu)選地，所述上金屬層的材料為金。所述下金屬層的材料為金。
[0012] 本發(fā)明的上述金屬微結(jié)構(gòu)體系支持兩種光學(xué)模式。包括存在于上金屬層和下層金 屬板之間的微腔模式，以及下層金屬周期結(jié)構(gòu)支持的一種雜化SSPs模式。
[0013] 微腔模式的共振波長由以下公式?jīng)Q定
其中，rwf是模式有效 折射率，m，η是代表模式階數(shù)的整數(shù)，a為上金屬層中金屬方塊的邊長。因此可以通過調(diào)節(jié) 上層金屬方塊的邊長來方便地調(diào)節(jié)微腔模式的共振波長。雜化SSPs模式的共振波長主要 由周期等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，可以把微腔模式和雜化SSPs模式的共 振波長調(diào)節(jié)到同一波長位置，產(chǎn)生一個耦合模式。該耦合模式可以顯著地增加量子阱層對 光的吸收作用，并且增強(qiáng)量子阱區(qū)域的垂直于量子阱平面的電場分量的大小。
[0014] 綜上所述，本發(fā)明通過引入金屬微結(jié)構(gòu)體系，可以激發(fā)SSPs模式和微腔模式，能 有效的實現(xiàn)光場的局域，提高量子阱的吸收效率。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)支持可以調(diào)節(jié)的微腔共振模式和雜化SSPs共振模式，并通過模式耦合的方 式，進(jìn)一步提高量子阱的吸收效率發(fā)明有效克服了量子阱紅外光電探測器對正入射的紅外 輻射不吸收的缺陷。
[0016] (2)通過微腔模式和雜化SSPs模式的耦合使得電磁場被強(qiáng)局域在量子阱區(qū)域，顯 著地提高了量子阱活性區(qū)域?qū)t外輻射的吸收，并且有效地增強(qiáng)了對量子阱吸收至關(guān)重要 垂直于量子阱平面的電場分量（Ez)的大小。對甚遠(yuǎn)紅外光電探測器探測效率的提高具有 很顯著的作用。
[0017] (3)本發(fā)明吸收結(jié)構(gòu)的耦合效率優(yōu)于其他現(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，且具有較大角度的 弱色散性以及對偏振的不敏感性。
【附圖說明】
[0018] 圖1 (a)和（b)分別為紅外量子阱光電探測器吸收結(jié)構(gòu)的剖面視圖與和側(cè)視圖，其 中，1-上層金方塊陣列，2-上接觸層，3量子阱層，4-下接觸層，5-帶有周期性金方塊陣列的 金板，6-GaAs襯底。
[0019] 圖2為紅外量子阱光電探測器吸收結(jié)構(gòu)隨上層金屬方塊邊長改變的線性譜線。
[0020] 圖3為（a)雜化SPPs模式、（b)微腔模式以及（c)親合模式電場z分量的絕對值 (|EZ|)在y-z平面的分布圖。
[0021] 圖4為電場在整個中間半導(dǎo)體區(qū)域的增強(qiáng)大小的分布，通過函數(shù)F表征。
[0022] 圖5紅外量子阱光電探測器吸收結(jié)構(gòu)吸收能量在量子阱層（QWs)和金（Au)中的 分布。
[0023] 圖6在斜入射的紅外福射照射下，（a)偏振狀態(tài)為s_偏振和（b)偏振狀態(tài)為p-偏 振的兩種情況下的耦合效率隨入射角度（〇° -50° )變化的分布。
[0024] 圖7為在正入射紅外輻射照射下，耦合效率隨不同偏