CN101350371B - 双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，公开了一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆形孔或椭圆形孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上。利用本发明，简化了红外焦平面的制作工艺，提高了对两种波段的耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅。
背景技术
量子阱红外探测器是红外技术的关键器件，特别是双色量子阱红外探测器，已成为近年来探测器方面研究的焦点之一，集成大面积、低成本的红外焦平面凝视系统，广泛应用于军事、气象、航天、医疗等技术领域。
量子阱红外探测器的原理是利用不同带隙的半导体材料交替生长形成量子阱结构，并利用量子阱的子带跃迁实现光电吸收转换。根据量子阱子带跃迁的选择定则，只有电场方向平行于量子阱生长方向的光波才能激发子带跃迁，而探测器主要应用在正入射条件，如何实现入射光的耦合就成为QWIP研制的关键。
根据文献1：“G..Hasnain，B.F.Levine，C.G.Bethea，R.A.Logan，J.Walker，and R.J.Malik，Appl.Phys.Lett.，1989(54)：2515”、文献2：“G.Sarusi，B.F.Levine ，S.J.Pearton，K.M.S.Banadara，and R.E.Leibenguth，Appl.Phys.Lett.，1994(64)：960”、文献3：“C.J.Chen，K.K.Choi，M.Z.Tidrow andD.C.Tsui，Appl.Phys.Lett.，1996(68)：1446”中公开报道的方法，利用45°角斜入射、二维光栅、漫反射光栅、波纹耦合等多种耦合方式都可以实现改变光波电磁场偏振方向。但是考虑到有利于红外焦平面探测器面阵的光电集成和工艺实现，选择二维光栅的方案是较为优越的。
随着现代半导体工艺技术的迅速成熟，仅仅吸收单一波长的单色红外半导体探测器器件和面阵，已经满足不了人们的各种应用对器件集成度和功能更高更多的要求，特别是军事、医学、航空航天应用上，需要实现多波段窗口、多目标的红外探测，就需要集成度更高的双色、甚至是多色的红外探测器阵列。
在国际上，2003年美国的国家航空和宇宙航行局戈达德空间飞行中心(NASA Goddard Space Flight Center)、喷气推进实验所(Jet PropulsionLaboratory，JPL)和国防研究实验室(Army Research Lab，ARL)已经联合研制出四色焦平面阵列。同年，德国的国际宇航联合会(InternationalAstronautical Federation，IAF)也研制出同时探测中波和长波信号的双色量子阱红外探测器阵列。
2005年，文献4：“S.D.Gunapala，S.V.Bandara，J.K.Liu，et al.，Semicond.Sci.Technol.2005(20)：473”已经报道了1024×1024象素双色红外焦平面阵列的结果。
国内在这方面的研究起步较晚，水平与国际上也有较大差距。因为要制作大面积的双色探测器面阵存在着很多挑战：一方面是双色红外探测器在不同波段的量子阱材料生长上存在温度差别等一系列问题；另一方面是不同波长的面阵光栅的制作存在光刻刻蚀精度、深度控制等一系列问题。
因此，要实现大面积的双色红外量子阱探测器阵列，除了必须进一步寻找合适的材料生长条件之外，还必须优化器件光栅的设计和制作。同时，光子晶体对光场的调制也渐渐引起了人们的注意，如果将光子晶体结构设计在二维光栅上，将有利于优化探测器的光栅设计，并简化光栅制作的工艺，提高器件的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双色红外量子阱焦平面探测器顶部的光子晶体光栅结构，解决双色红外量子阱焦平面探测器顶部光栅的设计与制作问题，达到同时实现对两种被探测波段的较高耦合效率的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上；其中，双色量子阱红外探测器工作点为中波5μm/长波8μm，采用周期Λ＝3μm、占空比为r/Λ＝0.4、深度h＝0.6μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，r代表光子晶体圆孔半径。
上述方案中，所述二维光子晶体结构是三角晶格排列。
上述方案中，所述双色半导体量子阱探测器采用背入射探测模式。
上述方案中，所述的半导体材料为GaN/AlGaN材料，或为GaAs/AlGaAs材料，或为InP/InGaAsP材料。
上述方案中，所述的金属盖层材料为AuGeNi合金。
上述方案中，该光子晶体光栅在双色象素重叠型半导体量子阱探测器或双色象素交替型半导体量子阱探测器的顶部实现，且象素点顶部采用相同的光子晶体光栅结构，并通过In柱倒装与Si基IC电路集成。
本发明还提供了一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上；其中，双色量子阱红外探测器工作点为长波8μm/12μm，采用周期Λ＝4.6μm、占空比为r/Λ＝0.35、深度h＝0.7μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，r代表光子晶体圆孔半径。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，由于光子晶体对光子的量子调控作用，一个特定设计的二维光子晶体光栅结构，可以实现对两个波段的光子的同时高效偏振调制，而这种结构的光子晶体光栅结构简洁，易于制备，所以解决了双色红外量子阱焦平面探测器顶部光栅的设计与制作问题，达到了同时实现对两种被探测波段的较高耦合效率的目的。
2、本发明提供的这种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，对双波段都能实现较高的耦合效率。
3、本发明提供的这种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，由于所有象素点都采用了相同的光栅结构，因此可以采用单色红外量子阱探测器的工艺技术，实现双色红外量子阱探测器的光栅制作，易于光栅工艺制作。
附图说明
图1为本发明提供的二维双色量子阱红外探测器顶部光栅的垂直剖面结构示意图；图中z坐标方向代表器件垂直方向，即量子阱生长方向；x、y坐标方向代表器件水平方向，即集成红外焦平面的方向。
图2为本发明提供的二维双色量子阱红外探测器顶部光栅的俯视示意图及立体示意图。
图3为经本发明光子晶体光栅结构调制后量子阱吸收区内电场分量Ez分布的水平截面图；其中图3(a)对应于第一吸收峰，图3(b)对应于第二吸收峰，电场分量Ez对应于量子阱可吸收的光波偏振分量。
图4为不同周期Λ和不同水平截面内的光子晶体光栅的归一化耦合效率η，其中d表示量子阱吸收区内距光栅底面的距离为d的水平截面。
图5为依照本发明第一个实施例光子晶体光栅结构的耦合效率谱的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的二维双色量子阱红外探测器顶部光栅的垂直剖面结构示意图，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆形孔或椭圆形孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上。
上述二维光子晶体结构是三角晶格排列，双色半导体量子阱探测器采用背入射探测模式。
上述的半导体材料为GaN/AlGaN材料，或为GaAs/AlGaAs材料，或为InP/InGaAsP材料，金属盖层材料为AuGeNi合金。
上述光子晶体光栅中的双色波长包括近红外波段、中波波段和长波波段中的任意两个中心波长，其中近红外波段波长范围在0.7微米至1.7微米范围内，中波波段波长范围在3微米至6微米范围内，长波波长范围在7微米至14微米范围内。
上述光子晶体光栅在双色象素重叠型半导体量子阱探测器或双色象素交替型半导体量子阱探测器的顶部实现，且象素点顶部采用相同的光子晶体光栅结构，并通过In柱倒装与Si基IC电路集成。
如图2所示，图2为本发明提供的二维双色量子阱红外探测器顶部光栅的俯视示意图及立体示意图。在红外量子阱探测器象素顶部接触层内刻蚀出如图2所示的、周期为Λ、占空比为r/Λ、深度为h的圆孔三角晶格光子晶体结构，并在其上表面覆盖一层金属盖层作为反射耦合镜面。由于此结构对双波段均敏感，因此无论采用象素重叠方式，或者象素交替方式实现双波段探测，都可以采用此结构。
探测器或集成红外焦平面通常接收在自然正入射条件下、电场在水平方向内偏振(Ez分量几乎为零)的光波。根据量子阱子带跃迁的选择定则，只有电场方向平行于量子阱生长方向(z方向)的光波(包含Ez)，才能激发子带跃迁使得探测器能探测到光波信号。通过光子晶体光栅结构耦合改变其波矢量，得到的电场在垂直方向内偏振(Ez分量较强)的光波分量。本发明涉及的光子晶体结构对光波耦合存在“多峰效应”，即对应某一入射波长，均有多个周期区间对应较高的耦合效率。为了更直观准确的分析量子阱吸收区的电磁场分布，如图图3(a)，采用三维时域有限差分法模拟的量子阱区内第一吸收峰的Ez分量强度分布截面图，图3(b)即第二吸收峰的Ez分量强度分布截面图。
基于图1和图2所述的这种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，以下结合具体的实施例对本发明提供的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅进一步详细说明。
实施例一
本实例中双色量子阱红外探测器工作点在中波5μm/长波8μm。本实例采用双色象素重叠型的量子阱探测器作为光电转换单元，中波吸收区和长波吸收区分别采用不同含Al组分的AlGaAs/GaAs量子阱结构，且两个吸收区垂直距离为d′＝1μm左右。根据图4(a)可知在入射波长为λ＝5μm和λ＝8μm条件下，不同周期Λ光子晶体光栅的归一化耦合效率，图中左半部分对应λ＝5μm的耦合效率，右半部分对应λ＝8μm的耦合效率，他们在周期Λ＝3μm附近均有较高的耦合效率。图例中d表示量子阱吸收区内水平截面距光栅底面的距离。在设计其他参数时，还需通过固定周期的方式，进一步优化占空比r/Λ和深度参数h，以达到对双波段的高效耦合。其中r代表光子晶体圆孔半径。
从图4(a)分析可得，采用周期Λ＝3μm、占空比为r/Λ＝0.4、深度h＝0.6μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，中波量子阱吸收层和长波量子阱吸收层分别设置在光栅下方距光栅距离d＝0.5μm和d＝1.5μm处(正好满足两个吸收区间距1μm左右)，即可实现对双色波段均较高的耦合效率，使得该象素点能同时探测到双色波段的光信号。
本实例的耦合效率谱如图5所示。可以明显看出，对于双波段中波4.5μm～5.0μm和长波段8μm～9μm均有较高的耦合效率峰，并且中波段距离d＝1.5μm的峰值与长波段距离d＝0.5μm的峰值相当，正好可以满足象素重叠型量子阱探测器双层吸收区的要求，从而实现了双色量子阱红外探测器顶部光栅的功能。
实施例二
本实例中双色量子阱红外探测器工作点均在长波8μm/12μm。只需将结构参数调整为周期Λ＝4.6μm、占空比为r/Λ＝0.35、深度h＝0.7μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅即可，其他参数同实施例1保持不变即可，其结果与实施例1类似，具体可参照附图4(b)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上；其中，双色量子阱红外探测器工作点为中波5μm/长波8μm，采用周期Λ＝3μm、占空比为r/Λ＝0.4、深度h＝0.6μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，r代表光子晶体圆孔半径。
2.根据权利要求1所述的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，所述二维光子晶体结构是三角晶格排列。
3.根据权利要求1所述的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，所述双色半导体量子阱探测器采用背入射探测模式。
4.根据权利要求1所述的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，所述的半导体材料为GaN/AlGaN材料，或为GaAs/AlGaAs材料，或为InP/InGaAsP材料。
5.根据权利要求1所述的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，所述的金属盖层材料为AuGeNi合金。
6.根据权利要求1所述的双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，该光子晶体光栅在双色象素重叠型半导体量子阱探测器或双色象素交替型半导体量子阱探测器的顶部实现，且象素点顶部采用相同的光子晶体光栅结构，并通过In柱倒装与Si基IC电路集成。
7.一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，其特征在于，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上；其中，双色量子阱红外探测器工作点为长波8μm/12μm，采用周期Λ＝4.6μm、占空比为r/Λ＝0.35、深度h＝0.7μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，r代表光子晶体圆孔半径。
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| 潘栋,等.光栅耦合量子阱红外探测器一维光栅的光谱响应.半导体学报18 6.1997,18(6),431-435. * |
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