CN101471396A - 一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，包括：1)设计谐振腔增强探测器的腔模，初始设置探测器每一个结构层的厚度，由分子束外延设备生长样品；2)采用显微拉曼光谱仪测量样品的反射谱，得到高反带的中心位置以及样品实际腔模位置；3)运用模拟程序，计算出与实际样品高反带完全对应的砷化镓层的厚度，砷化铝层的厚度以及与实际腔模完全对应所要求的腔体的厚度；4)根据步骤3)所得数据对第一次生长样品高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度进行校正，并对分子束外延设生长样品的时间参数进行校正，生长出新样品。5)采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱。

Description

一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法

技术领域

本发明涉及光探测器领域，尤其是红外探测技术领域，提供了一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法。本发明可应用于谐振腔增强类型探测器的生长控制技术中。

背景技术

所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段(0.8μm～1000μm)。可知，红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件就是红外探测器。探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息并加以控制。红外技术得到了广泛应用，首要的当属军事应用。反之，由于应用的驱使，红外探测器的研究、开发乃至生产，越来越受重视而得以长足发展。现代科学技术的进展提供红外探测器研制的广阔天地，高性能新型探测器层出不穷。历史上，红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今，军事应用仍占整个红外敏感器市场的大部分。更高的性能指标和降低成本对红外技术提出了愈来愈高的要求。

高灵敏度近红外光探测器在光通讯、信息、国防和军事等高科技领域中占有十分重要的地位，多年来一直是人们研究的热点。传统的光探测器包括雪崩光电二极管、P-I-N光电二极管、异质结光电晶体管和金属-半导体-金属光电二极管等。由于受到表面层反射和有源层吸收的限制，若要提高这些光探测器(APD除外)的光电转换效率，需要增加有源层的厚度和外加防反射层。但是，较厚的有源层会加大损耗，导致响应速度变慢。另一方面，这类光探测器均是宽频谱探测器，不能针对某特定波长进行单频检测，无法满足许多重要的国防、军事应用上的需要，如对巡航导弹光电导引头的1.064微米辐射的探测。共振腔增强(RCE)光探测器的出现有效地克服了上述器件的缺点。1.06微米波段的Nd:YAG激光器在工业生产、医药、遥感探测、空间通讯及武器制导方面得到广泛应用。然而，Nd:YAG激光器的1.06微米工作波段恰好处在硅基材料的长波极限与铟镓砷—铟磷基材料短波极限之间。因而以铟镓砷量子点作为吸收材料的高增益共振腔增强探测器恰好可以填补这一空白。

在铟镓砷量子点谐振增强光探测器中，谐振腔的分布布拉格反射镜是由光程为四分之一波长的砷化镓和砷化铝交替生长组成，腔体的光学长度通常设计为半波长的奇数倍。本发明要力求量子点发光峰中心、高反带中心对应的波长以及腔体长度对应的波长一致。量子点的发光峰可以通过控制铟和镓的成分以及生长温度等实验条件来调控，比较容易达到目标峰位，而要使高反带中心对应的波长与腔体长度对应的波长达到一致就非常困难。只有高反带对应的中心波长与腔体长度对应的波长匹配，才能准确地达到设计的腔模位置，否则，探测器的腔模位置会发生偏离。分子束外延设备的生长技术虽然已经达到很精确的水平，但是在生长几十对分布布拉格反射镜和几百纳米甚至上千纳米的腔体过程中，实际生长长度微小波动的积累都会导致高反带的中心位置和实际腔模位置都会与设计值发生偏离，少则几纳米，多则十几纳米甚至几十纳米。而且，通常实际样品的高反带中心位置与腔体长度对应波长也不匹配。这样一个复杂的结构，测量其中每一层的厚度是难以实现的，如何实现谐振腔增强探测器腔模的精确控制是一个很大的难题。

在通常的经验中，大家普遍采取腔体中某一结构层在生长过程中不旋转，使得腔体厚度有一定变化区间，这样在一整片的样品中，就会有某一部分达到设计的腔模。但是，这样得到设计腔模的部分，往往是由于高反带的中心位置和腔体长度对应波长偏离在设计腔模的两侧，而不是来自于真正的匹配。因此，这种传统方法不仅很难得到真正匹配的腔模，无法达到真正的谐振；而且整个样品的大部分因为不能达到设计腔模被浪费了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐振增强探测器腔模的控制方法，运用这种方法，可以有效地解决高反带对应波长与腔体对应波长的匹配问题，从而真正意义上发挥探测器的谐振增强效应，得到高量子效率的谐振增强探测器。

本发明一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设计谐振腔增强探测器的腔模，初始设置探测器每一个结构层的厚度，由分子束外延设备生长样品；

2)采用显微拉曼光谱仪测量样品的反射谱，得到高反带的中心位置以及样品实际腔模位置；

3)运用模拟程序，计算出与实际样品高反带完全对应的砷化镓层的厚度，砷化铝层的厚度以及与实际腔模完全对应所要求的腔体的厚度；

4)利用模拟得到的高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度对第一次生长样品高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度进行校正，根据校正数据对分子束外延设生长样品的时间参数进行校正，生长出新样品；

5)检测新样品。

进一步，所述步骤5)采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱，新样品达到设计腔模，确定进行批量生产。

进一步，所述步骤5)采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱，新样品没有达到设计腔模，重复步骤2)～4)作进一步参数校正。

其中步骤3)中采用的模拟程序，是在Windows XP环境下，利用Compaq Visual Fortran软件编写。程序采用光学传输矩阵的方法来计算微型谐振腔的反射率，计算得到的数据文件通过OriginPro 7.5软件绘制出相应的反射谱。

上述分子束外延设备和显微拉曼光谱仪以及运行模拟程序的电脑保持各自的独立性。

本发明的有益效果在于：实现谐振增强探测器腔模的控制，有效发挥探测器的谐振增强效应，提高探测器的量子效率。而且，容易实现探测器的批量生产。一旦通过上述步骤确定好最佳生长参数，达到设计腔模，便可以固定参数批量生产。而且整个实验片在生长过程中可以始终保持旋转，生长出均匀的实验片都在设计腔模位置，这样实验片的每一部分都可以使用。相对于通过实验片某结构层不旋转造成腔体厚度梯度来实现样品小部分达到设计腔模的办法，本发明实现高反带对应波长与腔体对应波长的匹配，达到真正意义的腔模，有效提高探测器的量子效率；而且提高了材料的利用率，大大节约成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为首次生长样品的荧光谱；

图3为实测反射谱与模拟计算反射谱对比图；

图4为修正后生长样品的荧光谱；

图5为修正后生长样品的反射谱。

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。

本发明设计的谐振增强探测器腔模位置在1064nm，在腔体的波腹位置设计生长量子点。本发明的目标就是使得谐振增强探测器的腔模位置在1064nm，并且腔模是高反带对应的中心波长与腔体长度对应的波长匹配的。

请参阅图1，图1是本发明的流程图，本发明一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：设计谐振腔增强探测器的腔模，计算好探测器每一个结构层的厚度，由分子束外延设备生长样品。

步骤2：采用法国JY公司的Super-LabRam显微拉曼光谱仪测量样品的反射谱，得到高反带的中心位置以及样品实际腔模位置。

步骤3：利用Compaq Visual Fortran软件编写程序采用光学传输矩阵的方法来计算微型谐振腔的反射率。运用模拟程序，计算出与实际样品反射谱高反带完全对应的砷化镓层和砷化铝层的厚度，这里本发明假设实际的砷化镓层和砷化铝层保持匹配。以模拟得到的砷化镓层和砷化铝层厚度为基础，进一步运用模拟程序，计算出与实际腔模一致所要求的实际腔体的厚度。

步骤4：利用模拟得到的高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度对第一次生长样品高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度进行校正，根据校正数据对分子束外延设备生长样品的时间参数进行校正，生长出新样品。

步骤5：采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱，检查新样品是否达到设计腔模。如果新样品达到设计腔模，则可以固定分子束外延设备生长参数，批量生长；如果依然有偏差，可以从步骤2开始重复上述步骤再次对样品参数进行校正，直至达到理想效果。

以下以一具体实施例对本发明作进一步说明。

步骤1：本发明设计的谐振增强探测器腔模位置在1064nm，按照这个设计可以得到，分布布拉格反射镜中砷化镓层的厚度为76.4nm，砷化铝层的厚度为92.2nm。腔体长度设计为3.5倍腔模波长。设计好的结构由分子束外延设备生长。

步骤2：对生长的样品采用法国JY公司的Super-LabRam显微拉曼光谱仪进行光谱测试。图2是本发明测得样品的荧光谱，从荧光谱看，样品的发光特性比较好，在较弱测试光强下便能得到尖锐的发光峰，谱峰值强度为2595，中心腔模在1063nm，非常接近设计腔模1064nm。但是通过测试样品的反射谱(图3)，会发现这个1063nm的中心腔模并非一个匹配的理想的中心腔模。图3中的实线b为样品的实测反射谱曲线，可以看到其高反带范围在1042nm到1142nm，高反带中心在1092nm，显然分布布拉格反射镜的生长与本发明的设计发生了偏离。

步骤3：通过Compaq Visual Fortran软件编写程序对高反带进行模拟，得到与实测高反带吻合的模拟高反带所对应的砷化镓层和砷化铝层厚度参数，砷化镓层为78.8nm，砷化铝层为94.6nm。而本发明设计的砷化镓层厚度为76.4nm，砷化铝层厚度为92.2nm。可见，实际生长的样品的分布布拉格反射镜各层长厚了，可以根据这个模拟结果，指导分子束外延设备在生长修正的样品时，对各个砷化镓层厚度减少2.4nm，对各个砷化铝层厚度减少2.4nm。上述模拟得到了与实测结果吻合的高反带，本发明进一步通过程序模拟，可以得到与实测反射谱完全吻合的反射谱曲线如图3中点线a，模拟腔长为1050nm，显然实际腔长比本发明的设计腔长1064nm长薄了14nm。

步骤4：总结以上对反射谱的实测与模拟对比，可以看到，本来设计的腔模位置在1064nm，也就是要求高反带的中心位置和腔体长度对应波长都在1064nm；但是实际生长样品的高反带中心位置在1092nm，腔体长度对应波长在1050nm，都与设计值发生了一定的偏离。因此，虽然得到的样品腔模位置在1063nm，与设计值1064nm非常接近，但是这只是一个高反带的中心位置和腔体长度对应波长不匹配的腔模，会削弱谐振腔的谐振增强效果，不能有效地提高谐振腔样品的量子效率。本发明通过修正样品的生长参数，得到了新的样品。为了对比验证本发明修正样品参数得到样品的效果，本发明只对高反带的各层厚度参数进行了修正，腔长的参数保持不变。

步骤5：图4是修正样品的荧光谱，测试光强与原样品荧光谱测试的光强保持一致。可以看到，修正样品的PL谱峰值强度为5504，几乎是原样品荧光谱峰值强度2595的两倍。由此，可以看出，修正样品的腔模匹配程度得到了很大改善。

图5是修正样品的反射谱，可以看到高反带范围在1016nm到1122nm，高反带中心在1069nm，这与程序模拟的结果几乎一致，因此可以判定修正后分布布拉格反射镜的生长是准确的。而且可以看到修正样品腔模位置的反射率为0.90，比原样品腔模位置的反射率0.94有了改善。

通过对修正样品荧光谱以及反射谱的分析，可以看到修正样品的高反带一次修正便达到了准确位置，使得样品的腔模匹配程度得到了改善。分子束外延设备生长多层分布布拉格反射镜的谐振腔结构成本非常高，本发明没有做进一步的实验生长和测试。但是，本发明的修正样品的实验测试充分展示了本发明的可行性和实用性，这种方法将给谐振腔探测器的准确生长带来有效的指导：实现腔模的真正匹配，提高谐振腔探测器量子效率，节约材料从而大大降低成本，实现谐振腔探测器的大批量生产，为谐振腔探测器的更广泛应用起到积极的推动作用。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设计谐振腔增强探测器的腔模，初始设置探测器每一个结构层的厚度，由分子束外延设备生长样品；

2)采用显微拉曼光谱仪测量样品的反射谱，得到高反带的中心位置以及样品实际腔模位置；

3)运用模拟程序，计算出与实际样品高反带完全对应的砷化镓层的厚度，砷化铝层的厚度以及与实际腔模完全对应所要求的腔体的厚度；

4)利用模拟得到的高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度对第一次生长样品高反带的砷化镓层厚度、砷化铝层厚度以及腔体厚度进行校正，根据校正数据对分子束外延设生长样品的时间参数进行校正，生长出新样品；

5)检测新样品。

2.根据权利要求1所述的谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，所述步骤5)采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱，新样品达到设计腔模，确定进行批量生产。

3.根据权利要求1所述的一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，所述步骤5)采用显微拉曼光谱仪测量新样品反射谱，新样品没有达到设计腔模，重复步骤2)～4)作进一步参数校正。

4.根据权利要求1所述的谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，所述模拟程序是采用Compaq Visual Fortran软件编写的，利用光学传输矩阵的方法来计算微型谐振腔的反射谱程序。

5.根据权利要求1所述的一种谐振腔增强探测器腔模的控制方法，其特征在于，所述根据程序模拟得到的各生长层厚度数据对分子束外延设生长样品各层的时间参数进行校正，能够使新样品的各生长层厚度接近设计值，从而获得匹配的设计的谐振腔腔模。

Images