一种红外量子阱光电探测器的吸收结构制造技术

本发明专利技术公开了一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，属于亚波长光子学中光学器件领域。该吸收结构用于耦合入射电磁波到量子阱活性区域，包括上金属层、中间半导体层和下金属层，其中，上金属层为周期性的金属方块阵列，中间半导体层为量子阱层，下金属层为表面带有周期性金属方块阵列的金属平板。利用本发明专利技术这种金属微结构激发的微腔模式和杂化SSPs模式的耦合，能显著地提高量子阱活性区域对红外辐射的吸收，并且有效地增强对量子阱吸收至关重要垂直于量子阱平面的电场分量(Ez)的大小，从而克服了传统量子阱红外光电探测器对正入射的红外辐射不吸收的缺陷，该吸收结构对甚远红外光电探测器探测效率的提高具有很显著的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种红外量子阱光电探测器的吸收结构
本专利技术涉及一种红外量子阱光电探测器吸收结构的设计，属于亚波长光子学中光学器件的领域。具体涉及一种金属-半导体-金属结构的光学吸收器结构，可以高效的局域红外辐射，并且有效的增强电场Ez分量。
技术介绍
红外探测器是一种对于红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件，其中14-16微米甚长波红外焦平面光电探测器是先进武器系统和国防现代化的关键技术。红外光电探测器按照材料体系可分为：最早发展的碲镉汞(HgCdTe)体系，和从上个世纪八十年代发展起来的量子阱红外探测器(QWIP)。众所周知，HgCdTe材料在甚长波的红外光电转换效率将急剧降低，并且仍然存在着制备上的困难。与传统材料HgCdTe制备的红外探测器相比，量子阱红外探测器可以形成大面积、低功耗、低成本、高均匀性和高灵敏度的焦平面列阵(FPA)成像系统。在线性阵列和焦平面阵列应用中的快速发展，显示了QWIP技术在长波红外大面积焦平面阵列和多色成像应用方面的巨大潜力。但是，对于普遍使用的n型砷化镓(GaAs)QWIP，由于量子吸收的选择定则，只能够吸收量子阱区域垂直于量子阱平面的电场分量(Ez)。所以，为了提高器件的响应率和探测率，必须对QWIP器件进行光学耦合处理，譬如45度磨角或者布鲁斯特角几何设计，这样可以使部分电场垂直于量子阱平面。然而对于二维成像聚焦平面阵列，需要入射电磁波垂直入射到量子阱平面。因此采用一维、二维周期光栅、无序光栅等结构改变入射光的传播方向，使之可以被量子阱吸收。但是，更为高效的方法是可以利用共振吸收的思想，通过引入光学共振结构，显著地提高在量子阱区域的局域电场强度，并针对性地提高电场分量(Ez)，以提高量子阱的吸收效率。表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)微结构体系和金属超构材料体系，由于可以有效的耦合入射电磁波到亚波长空间并且能够产生很大的局域电场增强，所以都是有效的光学耦合手段。例如，在长波红外波段，通过使传统的类似表面等离子体基元(Spoofsurfaceplasmon，SSPs)和波导模式杂化的方式，产生杂化SSPs模式，可以有效的耦合入射电场到波导模式并产生“完美”的远场吸收。另外，一种存在于金属-介质(半导体)-金属体系中的微腔模式，通过耦合入射电场在介质(半导体)微腔中共振，可以有效的提高光和物质的相互作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服量子阱红外光电探测器对正入射的红外辐射不吸收的缺陷，为探测器提供一种吸收结构，通过引入可调的微腔模式和杂化SSPs模式的耦合，能显著地提高的量子阱区域对红外辐射的吸收。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，用于耦合入射电磁波到量子阱活性区域，所述吸收结构包括上金属层、中间半导体层和下金属层，其中，上金属层为周期性的金属方块阵列，中间半导体层为量子阱层，下金属层为表面带有周期性金属方块阵列的金属平板。进一步地，所述中间半导体层还包括缓冲层，量子阱层设置在缓冲层的中间。优选地，所述缓冲层的材料为半导体。所述上金属层的金属方块阵列和下金属层上的金属方块阵列具有相同的周期和对称性。优选地，所述上金属层的材料为金。所述下金属层的材料为金。本专利技术的上述金属微结构体系支持两种光学模式。包括存在于上金属层和下层金属板之间的微腔模式，以及下层金属周期结构支持的一种杂化SSPs模式。微腔模式的共振波长由以下公式决定其中，neff是模式有效折射率，m，n是代表模式阶数的整数，a为上金属层中金属方块的边长。因此可以通过调节上层金属方块的边长来方便地调节微腔模式的共振波长。杂化SSPs模式的共振波长主要由周期等其他结构参数决定。通过结构参数的优化，可以把微腔模式和杂化SSPs模式的共振波长调节到同一波长位置，产生一个耦合模式。该耦合模式可以显著地增加量子阱层对光的吸收作用，并且增强量子阱区域的垂直于量子阱平面的电场分量的大小。综上所述，本专利技术通过引入金属微结构体系，可以激发SSPs模式和微腔模式，能有效的实现光场的局域，提高量子阱的吸收效率。本专利技术具有以下优点：(1)支持可以调节的微腔共振模式和杂化SSPs共振模式，并通过模式耦合的方式，进一步提高量子阱的吸收效率专利技术有效克服了量子阱红外光电探测器对正入射的红外辐射不吸收的缺陷。(2)通过微腔模式和杂化SSPs模式的耦合使得电磁场被强局域在量子阱区域，显著地提高了量子阱活性区域对红外辐射的吸收，并且有效地增强了对量子阱吸收至关重要垂直于量子阱平面的电场分量(Ez)的大小。对甚远红外光电探测器探测效率的提高具有很显著的作用。(3)本专利技术吸收结构的耦合效率优于其他现有的微结构设计，且具有较大角度的弱色散性以及对偏振的不敏感性。附图说明图1(a)和(b)分别为红外量子阱光电探测器吸收结构的剖面视图与和侧视图，其中，1-上层金方块阵列，2-上接触层，3量子阱层，4-下接触层，5-带有周期性金方块阵列的金板，6-GaAs衬底。图2为红外量子阱光电探测器吸收结构随上层金属方块边长改变的线性谱线。图3为(a)杂化SPPs模式、(b)微腔模式以及(c)耦合模式电场z分量的绝对值(|Ez|)在y-z平面的分布图。图4为电场在整个中间半导体区域的增强大小的分布，通过函数F表征。图5红外量子阱光电探测器吸收结构吸收能量在量子阱层(QWs)和金(Au)中的分布。图6在斜入射的红外辐射照射下，(a)偏振状态为s-偏振和(b)偏振状态为p-偏振的两种情况下的耦合效率随入射角度(0°-50°)变化的分布。图7为在正入射红外辐射照射下，耦合效率随不同偏振角度(0°-45°)变化的分布。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例为由金属(金)-半导体-金属三明治微结构的光学耦合腔。上层金属为周期性的金方块阵列1边长定义为a，下层为带有周期性金方块阵列的金板5，下层金方块的边长和厚度定义为b和t。上层金方块阵列和下层金阵列具有相同的周期(p)和对称性。多层量子阱置于金属层中间，且量子阱层3上下分别设置一定厚度的上接触层2和下接触层4。阵列的周期p设为6.9μm，砷化镓多重量子阱层厚度为400nm，上下砷化镓半导体(GaAs)接触层的厚度分别为200nm和300nm，上层金方块边长为1.6μm，下层金方块边长为3.5μm。由图2可以看出在本实施例中，在吸收光谱上有两种吸收峰，一个为共振波长保持在14.5μm的杂化SSPs模式，另一个是共振波长随上层金方块边长a变化的微腔模式，此处模式阶数为m＝1,n＝0或者m＝0，n＝1。当通过改变上层金方块的边长a，使得微腔模式和杂化SSPs模式的共振波长处于同一波长位置，由此形成了一个吸收更强的耦合模式，此共振模式在14.5μm出具有一个92％的吸收峰，相比于微腔模式和杂化SSPs模式，吸收效率更强。图3为杂化SSPs模式，微腔模式以及耦合模式的电场|Ez|在y-z平面的分布图。其中杂化SSPs模式和微腔模式对应于图2中上层金方块边长设置为a＝2.4μm时吸收谱线中，14.5μm和19.2um的两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，用于耦合入射电磁波到量子阱活性区域，其特征在于，所述吸收结构包括上金属层、中间半导体层和下金属层，其中，上金属层为周期性的金属方块阵列，中间半导体层为量子阱层，下金属层为表面带有周期性金属方块阵列的金属平板。

【技术特征摘要】
1.一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，用于耦合入射电磁波到量子阱活性区域，其特征在于，所述吸收结构包括上金属层、中间半导体层和下金属层，其中，上金属层为周期性的金属方块阵列，中间半导体层为量子阱层，下金属层为表面带有周期性金属方块阵列的金属平板；所述上金属层的金属方块阵列和下金属层上的金属方块阵列具有相同的周期和对称性。2.根据权利要求1所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振林，詹鹏，刘垄，陈聿，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32