CN101834227B - 一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法

技术领域

本发明涉及一种提高太赫兹量子阱光电探测器工作性能的方法，尤其是一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法。本发明属于半导体光电器件技术领域。

背景技术

太赫兹(THz)波是指电磁波谱中频率从100GHz到30THz(1THz＝10¹²Hz)，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，THzQWP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(z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ISBT。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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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，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。作为本发明的优选方案之一，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。

作为本发明的优选方案之一，步骤1)中采用计算波长λ_⊥，其中k₀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。

作为本发明的优选方案之一，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。

作为本发明的优选方案之一，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。

作为本发明的优选方案之一，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。

作为本发明的优选方案之一，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。

本发明的有益效果在于：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

以下是对本发明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E_z分量的平均能量随器件厚度变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图，以一个实际的光栅THzQWP器件为例，进一步说明本发明的具体实施方式。

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＝20μm，光栅金属条材料为金，条宽d-a＝10μm，金属条厚度δ＝0.38μm；多量子阱层的总厚度为2.64μm，上电极层厚度为0.4μm，下电极层厚度为0.8μm；半绝缘GaAs衬底的初始厚度为448μm。

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z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

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z方向分量可表示为：

$E_z=e^{{\mathrm{ik}}_p{r}_p}(P_i^e{e}^{{\mathrm{i\γ}}_{i}z}+Q_i^e{e}^{-{\mathrm{i\γ}}_{i}z})$

$H_z=e^{{\mathrm{ik}}_p{r}_p}(P_i^h{e}^{{\mathrm{i\γ}}_{i}z}+Q_i^h{e}^{-i{\mathrm{\γ}}_{i}z})---\left(1\right)$

式中P和Q分别表示上行波与下行波的振幅，k_p是平面内(xy平面)波矢，γ_i为z方向波矢。本专利中，下标i表示第i层(类似的，后面出现的下标M，B，r，A分别表示金属、介质B、介电材料r和介电材料A)，上标e代表电场E_z分量，h代表磁场H_z分量。

在介质B中，只有出射波，电磁场的z分量可以表示为：

$E_z=e^{{\mathrm{ik}}_p{r}_p}{T}_B^e{e}^{-{\mathrm{i\γ}}_{B}z},H_z=e^{{\mathrm{ik}}_p{r}_p}{T}_B^h{e}^{-{\mathrm{i\γ}}_{B}z}---\left(2\right)$

其中T为透射系数。

在第一层与第二层的界面处，根据切向电磁场的连续条件可得：

$P_2{e}^{{-\mathrm{i\γ}}_2{L}_2}=\frac{1}{t_{21}}[P_1+{\mathrm{\ρ}}_{21}{Q}_1]$

$Q_2{e}^{{\mathrm{i\γ}}_2{L}_2}=\frac{1}{t_{21}}[{\mathrm{\ρ}}_{21}{P}_1+Q_1]---\left(3\right)$

式中的ρ和t分别为电磁场z分量的透射和反射系数，可由菲涅尔公式导出，L_i表示第i层的厚度。此表达式即为传输矩阵方法给出的关系式。同理，对于第一层与介质B的界面处，有如下关系：

$P_1{e}^{{-\mathrm{i\γ}}_1{L}_1}=\frac{1}{t_{1B}}{\mathrm{\ρ}}_{1B}{T}_B,Q_1{e}^{{\mathrm{i\γ}}_1{L}_1}=\frac{1}{t_{1B}}{T}_B$

$P_1={\mathrm{\ρ}}_{1B}{Q}_1{e}^{2{\mathrm{i\γ}}_l{L}_1}---\left(4\right)$

将(4)式代入(3)式可得：

$P_2{e}^{-{\mathrm{i\γ}}_2{L}_2}=\frac{1}{T_{2B}}{R}_{2B}{T}_B,Q_2{e}^{{\mathrm{i\γ}}_2{L}_2}=\frac{1}{T_{2B}}{T}_B$

$P_2=R_{2B}{Q}_2{e}^{2{\mathrm{i\γ}}_2{L}_2}---\left(5\right)$

其中

$R_{2B}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{21}+{\mathrm{\ρ}}_{1B}{e}^{2i{\mathrm{\γ}}_1{L}_1}}{1+{\mathrm{\ρ}}_{21}{\mathrm{\ρ}}_{1B}{e}^{2i{\mathrm{\γ}}_1{L}_1}},$ $T_{2B}=\frac{t_{21}{e}^{{\mathrm{i\γ}}_1{L}_1}{t}_{1B}}{1+{\mathrm{\ρ}}_{21}{\mathrm{\ρ}}_{1B}{e}^{2i{\mathrm{\γ}}_1{L}_1}}---\left(6\right)$

R_2B和T_2B实际为第二层与介质B的等效反射、透射系数。同理可以得到，对于任意层都有：

$P_k=R_{\mathrm{kB}}{Q}_k{e}^{2i{\mathrm{\γ}}_k{L}_k}---\left(7\right)$

模式展开：

在介质A中，电磁场任意分量ψ可展开为：

$\mathrm{\ψ}(x,y,z)=e^{\mathrm{i\βy}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{{\mathrm{i\α}}_{n}x}(R_n{e}^{{\mathrm{i\γ}}_{\mathrm{An}}z}+{\mathrm{u\δ}}_{0n}{e}^{-i{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{An}}z})---\left(8\right)$

在多层结构中，电磁场可展开为：

$\mathrm{\ψ}(x,y,z)=e^{\mathrm{i\βy}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{{\mathrm{i\α}}_{n}x}(R_{\mathrm{in}}{e}^{{\mathrm{i\γ}}_{\mathrm{in}}z}+Q_{\mathrm{in}}{e}^{-i{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{in}}z})---\left(9\right)$

在介质B中，电磁场可展开为：

$\mathrm{\ψ}(x,y,z)=e^{\mathrm{i\βy}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{Bn}}{e}^{i({\mathrm{\α}}_{n}x-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Bn}}z)}---\left(10\right)$

式中α为x方向波矢，β为y方向波矢，γ为z方向波矢：

${\mathrm{\α}}_n=\mathrm{\α}+\frac{2\mathrm{\πn}}{d},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{in}}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_i{k}_0^2-{\mathrm{\α}}_n^2-{\mathrm{\β}}^2}---\left(11\right)$

在光栅中，电磁场可展开为：

$H_y[0\≤x\≤a,y,z]=e^{\mathrm{i\βy}}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(v_{m}x\right)(A_m^e{e}^{i{\mathrm{\μ}}_{m}z}+B_m^e{e}^{i{\mathrm{\μ}}_m(h-z)})---\left(12\right)$

$H_x[0\≤x\≤a,y,z]=e^{\mathrm{i\βy}}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(v_{m}x\right)(A_m^e{e}^{i{\mathrm{\μ}}_{m}z}+B_m^e{e}^{i{\mathrm{\μ}}_m(h-z)})---\left(13\right)$

式中：

$v_m=\frac{\mathrm{\πm}}{a},{\mathrm{\μ}}_m=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{k}_0^2-v_m^2-{\mathrm{\β}}^2}---\left(14\right)$

边界条件如下：

在光栅与介质A的界面：

n₊＝(0，0，1)   (16)

${\∫}_0^a{H}_y{|}_{z=h+}\cos \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}={\∫}_0^a{H}_y{|}_{z=h-}\cos \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}---\left(17\right)$

${\∫}_0^a{H}_x{|}_{z=h+}\sin \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}={\∫}_0^a{H}_x{|}_{z=h-}\sin \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}---\left(18\right)$

在光栅与多层结构中第k层的界面：

n₊＝(0，0，-1)  (20)

${\∫}_0^a{H}_y{|}_{z=0-}\cos \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}={\∫}_0^a{H}_y{|}_{z=0+}\cos \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}---\left(21\right)$

${\∫}_0^a{H}_x{|}_{z=0-}\sin \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}={\∫}_0^a{H}_x{|}_{z=0+}\sin \left(v_{m}x\right)\mathrm{dx}---\left(22\right)$

将各区域的电磁场表达式(8)-(13)代入相应的边界条件(15)-(22)中，结合由传输矩阵得到的结果(7)，联立求解得到电磁场的空间分布。

另外，计算过程中对于金属材料表面的处理应用到了表面阻抗边界条件，即电磁场的透射与反射系数分别为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Md}}^e\≈\frac{{\mathrm{\η\ϵ}}_d-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d}{{\mathrm{\η\ϵ}}_d+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d},{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Md}}^h\≈\frac{1-\mathrm{\η}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d}{1+\mathrm{\η}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d}---\left(23\right)$

$t_{\mathrm{Me}}^d=\frac{2}{\mathrm{\η}({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d+{\mathrm{\η\ϵ}}_d)},t_{\mathrm{Md}}^h=\frac{2}{1+\mathrm{\η}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_d}$

式中ε表示材料介电函数，下标M表示金属，d表示介电材料(如r或A等)，

k₀为真空中波矢。

该模拟方法将光场模式展开法和多层膜光场传输矩阵法结合应用到了THzQWP的具体结构中，采用表面阻抗边界条件考虑了有限厚度金属光栅对光场的耗散，能够定量的模拟出不同角度入射光经过光栅后在器件中形成的光场分布情况，并直观的给出强度分布图。图4为模拟得到的一维光栅THzQWP中的衍射光场能量分布图，其给出了2个光栅周期的宽度，且衬底只画出了一部分，这里给出的是E_z分量的强度分布(相对值)，因为E_z分量的偏振方向平行于量子阱生长方向，对子带间跃迁有贡献。

在研究阶段，采用上述方法对多组不同结构参数进行了模拟，研究这些衍射场的分布情况可以发现，由经典光栅方程设计的光栅，其衍射光场的平均强度随器件厚度L变化呈周期性振荡变化，当厚度为一级衍射模垂直方向波长λ_⊥整数倍时，光场出现极大值；另外由于GaAs材料对THz波有一定的吸收，所以器件越薄，出现的极大值越大。器件中衍射场的平均能量随器件厚度的关系如图5所示。因此，在器件机械性能允许的范围内减薄器件，并使器件厚度满足极大值条件可实现光场最优化分布，从而提高器件的响应率。

鉴于此，本发明采用如下步骤对该探测器进行优化：

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，计算出一级衍射模垂直于器件表面方向的波长λ_⊥。可采用模式展开法结合多层膜传输矩阵法模拟所述光场分布。

其中，正入射到器件表面的THz光经过光栅后进入器件发生衍射，一级衍射模衍射角θ由光栅周期d决定，一级衍射模垂直方向(z方向)的波矢为从而可定义垂直方向的波长为

其中k₀为入射波在真空中的波矢，ε为GaAs的介电函数。本实施例由此计算得到的一级衍射模z方向波长为λ_⊥＝22.268μm。

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尽量减薄器件的衬底，使器件的总厚度L(注：不包括光栅厚度)为所述波长λ_⊥的整数倍。

其中，减薄器件的衬底采用研磨、抛光和湿法腐蚀的方法进行：首先使用研磨机研磨衬底，减薄速度最快，约为5～10μm/min，可用于粗磨；然后使用抛光机对衬底抛光，抛光机减薄速度较慢，约为3μm/mm，可使研磨后的衬底表面平整和光滑；最后采用湿法腐蚀衬底，湿法腐蚀速度最慢，约为0.3μm/min，可以实现对衬底厚度的精确控制。

优化器件结构时，还可以调整上电极层厚度，使多量子阱位于所述光场分布中的强光场区域，或通过增加多量子阱层数，使多量子阱位于所述光场分布中的强光场区域。本实施例中，将器件的衬底减薄的同时将器件上电极层厚度增至0.8微米，并适当增加多量子阱的层数，从而使多量子阱下移至光场分布的强光场区域，即使多量子阱尽量位于光场最强的区域，如图4所示。优化后器件的总厚度L减薄至10×λ_⊥＝222.68μm≈223μm，则模拟得到优化后多量子阱层的光场能量平均值约是优化前的4倍，理论上将获得4倍的响应率。器件的响应率可通过测量黑体响应率得到。

本发明一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法通过简单的半导体工艺加工方法便可以大幅度提高THzQWP的器件响应率，为THzQWP阵列的开发和成像应用提供了研究手段。

本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (8)

1.一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；

其中，步骤1)中采用

计算波长λ_⊥，其中k₀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。

2.根据权利要求1所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述一维光栅太赫兹量子阱光电探测器响应率的优化方法，其特征在于：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。

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