一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法技术

本发明专利技术涉及一种一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，包括如下步骤：１）模拟正入射到器件表面的太赫兹光经过光栅后进入器件发生衍射的光场分布，计算一级衍射模垂直于器件表面方向的波长λ⊥；２）在器件机械性能允许的范围内减薄器件的衬底，使器件的总厚度Ｌ为所述波长λ⊥的整数倍。该方法可通过对器件衬底的研磨、抛光和腐蚀以实现器件中光场的最优化分布，同时设计合理的上电极层的厚度并适当增加量子阱层数可使多量子阱处于光场较强的区域，从而提高器件的性能，优化其响应率，对ＴＨｚ实时成像的研究和实现具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高太赫兹量子阱光电探测器工作性能的方法，尤其是。本专利技术属于半导体光电器件

技术介绍
太赫兹(THz)波是指电磁波谱中频率从IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相应波 长从3毫米到10微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。长期以来由于缺乏高效 的THz源和高灵敏度的检测手段，使得这一波谱区成为整个电磁波谱中存留的唯一未被充 分开发利用的区域。THz技术应用的核心部件之一是THz探测器。目前发展较为成熟的THz探测器包括 广泛应用于THz时域谱技术的电光晶体探测器；基于LiTaO3晶体的单元和阵列焦热电探测 器，此类探测器有较高探测灵敏度、宽光谱响应范围和室温工作的优点；高灵敏度Si热释 电探测器；应用于宇宙微波、THz背景辐射观测的基于低温超导薄膜的约瑟夫森结和热电 子热释电外差THz探测器。基于半导体低维结构的太赫兹量子阱探测器(THzQWP)于2004 年研制成功。此探测器的材料体系为GaAs，器件结构包括上电极和下电极，之间有十几到几 十层GaAs/(Al，Ga)As多量子阱，掺杂的电子被束缚在量子阱中，衬底为半绝缘GaAs。从工作原理上看，THzQffP是一种子带间跃迁型(ISBT)探测器，无光照时，电子处 于量子阱的束缚态中，在THz光场作用下，量子阱中的电子吸收光场能量，由束缚态跃迁到 连续态或准连续态，在外加偏压的作用下形成光电流，从而实现对THz波的探测。然而根据 量子力学，ISBT的选择定则决定了这种类型的探测器只能够探测光场中平行于量子阱生长 方向(ζ方向)的偏振分量。这就是说，如果入射光沿着器件的生长方向照射(器件的正面 或背面，即通常所说的正入射和背入射)，ISBT不会发生，也不会产生光电流。因此，通常的 做法是将光斜入射到器件中，使得入射光场包含平行于量子阱生长方向的偏正分量，比如 沿着QWP表面的布鲁斯特角方向入射，或者是将QWP的端面磨成45度角，再沿着这个端面 入射。在THz的诸多应用中，与国防安全和医疗诊断相关的一项重要应用是THz实时成 像。这就需要将探测器组合成焦平面阵列，入射光须垂直于焦平面。所以对于THzQWP焦 平面阵列，以上提到的斜入射方案不再适用，而一般的做法是在器件表面加工一层光栅，将 垂直于量子阱生长方向的偏振电场部分转化为沿平行方向的偏振，以实现正入射情况下的 ISBT0因此，研究光栅THzQWP的响应率，提高其工作性能，对THz实时成像的研究和实现具 有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题在于提供一种一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响 应率的优化方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案，所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器包括器件及器件表面的光栅，包括如下步骤1)模拟正入射到器件表面的太赫兹光经过光栅后进入器件发生衍射的光场分布， 计算一级衍射模垂直于器件表面方向的波长λ ± ；2)根据所述波长λ ±优化器件结构在器件机械性能允许的范围内减薄器件的衬 底，使器件的总厚度L为所述波长λ ±的整数倍。其中，器件的总厚度L不包括光栅的厚度。作为本专利技术的优选方案之一，步骤1) 中采用模式展开法结合多层膜传输矩阵法对所述光场分布进行模拟。进一步地，步骤1)采用模式展开法结合多层膜传输矩阵法对所述光场分布进行 模拟的具体步骤为将光栅中的光场按TE和TM两种偏振模式分别展开，将其他区域的光场 分布按瑞利模式展开，结合光在多层膜结构中的传输矩阵，应用器件外与光栅区、光栅区与 器件内两交界处的边界条件，联合求解出所述光场分布。其中，TE和TM分别指横电波和横 磁波。作为本专利技术的优选方案之一，步骤1)中采用4 =计算波长λ ±，其 中h为入射波在真空中的波矢，ε为GaAs的介电函数，θ为一级衍射模衍射角由光栅周 期d决定。作为本专利技术的优选方案之一，步骤2)中减薄器件的衬底采用研磨、抛光和湿法腐 蚀的方法进行。进一步地，减薄器件的衬底包括以下步骤首先使用研磨机研磨衬底；然后使用 抛光机对衬底抛光，从而使研磨后的衬底表面平整和光滑；最后采用湿法腐蚀衬底，以实现 对衬底厚度的精确控制。作为本专利技术的优选方案之一，步骤2)优化器件结构时，还包括调整上电极层厚 度，使多量子阱位于所述光场分布中的强光场区域。作为本专利技术的优选方案之一，步骤2)优化器件结构时，还包括增加多量子阱层 数，使多量子阱位于所述光场分布中的强光场区域。作为本专利技术的优选方案之一，步骤2)优化器件结构时，还包括调整上电极层厚 度，同时增加多量子阱层数，使多量子阱位于所述光场分布中的强光场区域。本专利技术的有益效果在于该方法可提高一维光栅太赫兹量子阱光电探测器的工作 性能，优化其响应率，对THz实时成像的研究和实现具有重要的意义。附图说明以下是对本专利技术涉及的各示意图的阐述。图1为典型的一维光栅THzQWP器件结构图。图2a_2b为入射光经过衍射光栅后的衍射过程示意图，其中图2b为图2a中的多 量子阱结构示意图。图3为实施例中入射光经过衍射光栅衍射的光场分布模拟示意图。图4为典型的一维光栅THzQWP中的衍射光场能量分布图。图5为一维光栅THzQWP中衍射场Ez分量的平均能量随器件厚度变化关系图。具体实施例方式下面结合附图，以一个实际的光栅THzQWP器件为例，进一步说明本专利技术的具体实 施方式。光栅THzQWP 器件编号Grt-V266_17。 Grt-V266-17 的探测频率 5· 315THz。该光栅THzQWP器件如图1所示，由THzQWP器件和器件表面的金属一维光栅组 成，其中THzQWP器件由衬底以及其上的多量子阱结构组成。此THzQWP器件的材料体系 为GaAs，多量子阱结构包括上电极层和下电极层，上、下电极层之间有十几到几十层GaAs/ (Al，Ga)As多量子阱层，掺杂的电子被束缚在量子阱中，衬底为半绝缘GaAs。其具体的结 构参数如下光栅周期d = 20 μ m，光栅金属条材料为金，条宽d-a = 10 μ m,金属条厚度 δ = 0. 38 μ m;多量子阱层的总厚度为2. 64 μ m，上电极层厚度为0.4 μ m，下电极层厚度为 0. 8 μ m ；半绝缘GaAs衬底的初始厚度为448 μ m。图2a_b给出了器件结构和入射光经过光栅后发生衍射的示意，THz入射光沿ζ轴 方向入射(正入射)到器件表面，器件的总厚度L等结构参数也在图中标出。金属光栅的 周期及金属条宽是根据经典光栅方程设计的，一般情况下周期d略大于THz入射光在器件材料中的波长乂^，其中λ为THz入射光在真空中的波长，ε为器件材料的介电函数；金属条宽一般取周期的一半。首先，根据上述光栅的参数及器件结构和材料的参数，使用模式展开法结合多层 膜传输矩阵法对衍射光场进行分析，得到器件中的光场分布。进行模拟的具体步骤为将光 栅中的光场按TE和TM两种偏振模式分别展开，将其他区域的光场分布按瑞利(Rayleigh) 模式展开，结合光在多层膜结构中的传输矩阵，应用器件外与光栅区、光栅区与器件内两交 界处的边界条件，联合求解出所述光场分布。以下是主要的计算过程，可参见图3 在多层结构中，电磁场的ζ方向分量可表示为<formula>formula s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器包括器件及器件表面的光栅，其特征在于，包括如下步骤：１）模拟正入射到器件表面的太赫兹光经过光栅后进入器件发生衍射的光场分布，计算一级衍射模垂直于器件表面方向的波长λ↓［⊥］；２）根据所述波长λ↓［⊥］优化器件结构：在器件机械性能允许的范围内减薄器件的衬底，使器件的总厚度Ｌ为所述波长λ↓［⊥］的整数倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张戎，郭旭光，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]