CN101915657B - 判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法 - Google Patents

Abstract

一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，包括如下步骤：设计无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的结构，形成探测器样品；将设计的探测器样品生长好以后，利用光谱仪测量样品的反射谱，标出反射谱中高反带区域的各个漏模；依据光学传输矩阵的原理编辑模拟程序，模拟得到与设计的无上反射镜谐振腔增强型光电探测器结构以及层厚完全一致的理论模拟反射谱；调节模拟程序中反射镜各层和腔体各层的厚度，使模拟得到的反射谱与实验测得的反射谱保持一致，然后改变模拟程序中吸收层的吸收系数，并观察模拟反射谱中各个漏模的变化，而同时源自谐振腔模式的漏模即腔模不会发生任何变化，从而判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器反射谱中的漏模是来自有源区吸收还是来自腔模。

Description

判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法

技术领域

本发明涉及谐振腔增强型光电探测器技术领域，尤其是无上反射镜谐振腔增强型光电探测器技术领域，提供了一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法。本发明可应用于无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的实际探测技术中。

背景技术

二十一世纪是信息高技术世纪，信息时代的特征是信息量大爆炸，信息传递非常快捷，信息处理十分迅速，其量化的标志为3T：光通信速率＞1Tbit/s；计算机速度＞1Tbit/s；光盘存储密度＞1Tbit/inch2。要实现3T，需要依赖于从上个世纪开始的本世纪将进一步得到发展的光电子技术。光子是物质存在和运动的基本形态之一，运用光子作为信息和能量的载体，将把新世纪的科学技术推向一个更加光辉灿烂的未来。光电子器件尤其是半导体光电子器件及其集成在高速率、大容量信息应用领域中发挥不可替代的关键作用，它是光信息技术发展的基础。而信息光子学的发展又对光电子器件不断提出新的要求，促使它往纵深层次更快发展。它要求材料更多样化，波长覆盖更宽，谱线更精细，器件功率更高，可列阵集成化，应用更广泛。

谐振腔增强型光子器件是一类具有开拓创新意义及有很好应用前景的新型光电器件。它们的典型结构是将有源区放置在一个用分子束外延制备出的垂直谐振腔内，利用谐振腔的高品质因子改善光电器件性能。谐振腔增强型光子器件具有易于制备二维列阵，实现集发射接收一体化以及高密度光电集成的优点，因此近年来备受关注，研究进展十分迅速，正成功迈向实用化阶段。目前谐振腔增强型器件以垂直腔表面发射激光器、谐振腔增强型表面发光二极管、光探测器和光调制器等几种器件的研究为主。谐振腔增强型光电探测器特有的波长选择性、高量子效率和高响应速度兼容的优点，成为波长选择应用中接收器件的强有力竞争者。引入谐振腔的光调制器在改善消光比、降低工作电压、减小功耗等方面体现出很大优势。

谐振腔增强型光电探测器的概念是AT&T Bell实验室的Chin等人1990年提出的，英文是Resonant-Cavity-Enhanced Photodetector(简称RCE PD)，其结构是在分布布喇格反射镜Distributed Bragg Reflector(简称DBR)构成的谐振腔中插入一薄层半导体吸收层，入射光在F-P腔的作用下来回通过吸收层，发生共振增强吸收现象。谐振腔增强型光电探测器已经成为一类非常具有实用价值的高性能光电探测器，它具有以下主要特点：

1、波长选择性好；

2、量子效率高；

3、响应速度快；

4、低功耗低噪声。

随着薄层外延生长技术不断发展，RCE探测器的研制在工艺技术方面得到保证，特别是晶格匹配材料(如III-V族半导体)制作的器件日趋成熟，已经研制成功各种类型的RCE探测器。

量子点由于其载流子在三维方向上全部受到限制，不受吸收选择定则的约束，可以吸收垂直入射光，免除了n型量子阱红外探测器所必需的45度角或者布鲁斯特角入射，或者使用光栅耦合才能吸收的限制，大大减小了工艺难度，降低了成本，在实际制作和生产中具有很大的优势。以量子点为有源区的共振增强型探测器具有以下优点：一方面，因为谐振腔对所探测辐射的共振增强作用和对其他辐射频率的抑制作用，将使探测器的信噪比得到很大的提高，能获得很高的探测灵敏度；另一方面，由于InGaAs/GaAs自组织量子点跃迁振子强度大，有源区可以做得比较薄，调制速度快。另外，由于量子点的强量子限制效应，探测器的温度依赖性低，特别适合在复杂多变的环境下使用。

传统的探测器包括雪崩光电二极管(APD)，P-I-N光电二极管(P-I-NPD)，异质结光电晶体管(HTP)和金属-半导体-金属(MSM)光电二极管等，由于受到表面反射层和有源层吸收的限制，若要提高这些探测器的光电转换效率，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，这类光探测器的探测到的频谱范围较宽，不能针对某一特定波长的光进行单频检测，无法满足某些重要的国防、军事应用上的需要，如对巡航导弹光电导引头的1064nm辐射的探测。90年代初期，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。从应用角度来说，希望光探测器在制备完毕后，能通过用外调谐的方式将平面微腔增强型光探测器的共振探测波长精确调谐到所需要探测的波长上，同时共振波长仍落在有源层的高吸收波长范围内，获得最大的探测信号。采用多量子阱作为有源层的平面微腔增强型光探测器只有当腔膜高于量子阱发光峰时，才能用改变角度来调谐探测频率。采用以量子点作为吸收介质的平面微腔增强型结构的探测器，由于量子点集合体有很宽的发光峰，调谐更为方便，而且可望获得高的光电转换效率和调制响应速度。

要使RCE-PD工作在最佳状态的关键是要准确地将腔模、量子点发光峰和平面微腔高反带中心的波长位置对准。这样才能观察到量子点激子与腔模的強耦合模式---激子极化激元的Rabi分裂。但是，获得具有高光电响应率RCE-PD的条件并不与观察量子点激子与腔模的強耦合模式---激子极化激元的条件完全一样。除了要满足上面所述的将腔模、量子点发光峰和平面微腔高反带中心的波长位置对准外，还要考虑如何增大对入射光的吸收，提高汲取光生载流子的效率和满足最大响应度的匹配条件。

我们通过不同结构探测器的大量实验发现，使用更多组的下DBR、减少上DBR组数、增加量子点有源层的厚度和组数均有利于提高RCE-PD的探测效率。在RCE型探测器中采取多组下DBR而不用上DBR的做法在土耳其Bilkent大学Ekmei Ozbay等人的实验工作中采用过。他们研制的是波长为800nm的PIN型RCE探测器，采取了24组下DBR和0组上DBR，并获得了大于90％的量子效率。这种结构的实验和理论模拟反射谱，在826nm处有一个模式，其线宽比较宽，反射谱也没有形成很平整的高反带。这种在谐振腔增强型探测器的设计中，采用多组的下DBR和0组上DBR的做法在各国不同的研究小组出现过。

但是，这种设计存在的问题是，由于没有上DBR的限制，探测器的反射谱往往不能形成高质量的平整的高反带，在反射谱中呈现的谐振腔模式也比较多，而且腔模的半高宽也比较大。这本身就给我们选定谐振性能最优的腔模带来一定难度，最大的问题是，由于没有上DBR的限制，植于腔体内的有源吸收层的强吸收也会给探测器的反射谱带来类似腔模的漏模。在反射谱中如何排除有源区吸收造成的漏模的影响，从而寻找到谐振性能最优的高质量腔模成为无上反射镜谐振腔增强型探测器技术的一个难题。

本发明通过实验光谱和理论模拟光谱相结合，发明了一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，通过这种方法，可以有效地辨别反射谱中的漏模是真正的谐振腔模式还是来自于有源区的强吸收，为无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的进一步推广应用带来很大帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，运用这种方法，可以有效地辨别反射谱中的漏模是真正的谐振腔模式还是来自于有源区的强吸收，从而进一步判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的强谐振腔模，为得到高量子效率的谐振腔增强型光电探测器打下很好的基础。

本发明一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，包括如下步骤：

步骤1：设计无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的结构，包括衬底、缓冲层、下反射镜、腔体以及顶部覆盖层，将设计好的探测器结构交由分子束外延设备生长，形成探测器样品；

步骤2：将设计的探测器样品生长好以后，利用光谱仪测量样品的反射谱，标出反射谱中高反带区域的各个漏模；

步骤3：依据光学传输矩阵的原理编辑模拟程序，模拟得到与设计的无上反射镜谐振腔增强型光电探测器结构以及层厚完全一致的理论模拟反射谱，在模拟过程中通过把有源区的光折射率设定为复数折射率来引入有源区的吸收因素，复数折射率的虚部就是有源区的吸收系数；

步骤4：调节模拟程序中反射镜各层和腔体各层的厚度，使模拟得到的反射谱与实验测得的反射谱保持一致，然后改变模拟程序中吸收层的吸收系数，并观察模拟反射谱中各个漏模的变化，随着吸收系数的增大，有源区吸收造成的漏模会变得更深更宽，而同时源自谐振腔模式的漏模即腔模不会发生任何变化，从而判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器反射谱中的漏模是来自有源区吸收还是来自腔模。

其中腔体包括：依序生长的下GaAs层、InGaAs量子点、GaAs间隔层和上GaAs层。

其中器件结构的衬底、缓冲层、腔体的主体和顶部覆盖层采用的材料是砷化镓。

其中腔体中的有源层采用的材料是铟镓砷量子点。

其中下反射镜由30对交替生长的砷化镓层和砷化铝层组成。

本发明的有益效果在于：

本发明一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，快捷有效。通过实验测量样品的反射谱和编辑程序计算得到的模拟反射谱互相比较，便可以迅速判定漏模是来自有源区吸收还是来自腔模；可以迅速找到真正谐振的有效腔模，实现光电探测器的高量子效率，为谐振腔增强型光电探测器的进一步推广应用创造很好的条件。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例以及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的结构图。

图2为本发明实施例无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的实验测得反射谱(实线)和理论模拟反射谱(虚线)。

图3为本发明实施例无上反射镜谐振腔增强型光电探测器在不同有源区吸收系数下的理论模拟反射谱。

具体实施方案

下面结合实例对本发明做进一步说明

步骤1：我们设计的无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的结构如图1所示。探测器结构包括衬底10，缓冲层20，下反射镜30、腔体40以及顶部覆盖层50，其中下反射镜由30对的AlAs/GaAs组成，腔体40中的有源区部分由23组的InGaAs量子点42以及GaAs间隔层43构成，下GaAs层41和上GaAs层44都是构成腔体的GaAs体材料。探测器的中心工作波长设计在1微米左右，设计好的探测器结构由MBE设备生长。

其中器件结构的衬底10、缓冲层20、腔体40的主体和顶部覆盖层50采用的材料是砷化镓；腔体40中的InGaAs量子点采用的材料是铟镓砷；

步骤2：探测器样品生长以后，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，如图2的实线所示。从反射谱可以看出，围绕1微米附近，在921纳米、946纳米和1024纳米波长处有漏模，其中921纳米和1024纳米的漏模相对锐利，946纳米的漏模相对较宽。

步骤3：依据光学传输矩阵的原理，利用Compaq Visual Fortran软件编写程序来计算无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的反射率。为了考虑有源介质InGaAs量子点的吸收，我们在模拟中把InGaAs量子点层看作是具有复数折射率的相同厚度的InGaAs层。理论模拟曲线采取的复数折射率为n＝3.6+0.2i，其中虚部的0.2就是有源层的吸收系数。得到的模拟反射谱如图2的虚线所示，我们可以看到理论模拟曲线的漏模位置和线型都与实测反射谱吻合的很好。

步骤4：调节模拟程序中反射镜各层和腔体各层的厚度，最大可能地使模拟得到的反射谱与实验测得的反射谱保持一致。然后，改变模拟程序中吸收层的吸收系数，得到的一系列反射谱曲线如图3所示。各曲线从上到下随着吸收系数的增大，946纳米处的漏模变得更深更宽，尤其是当折射率n＝3.6，也就是不考虑有源区吸收的时候，我们可以看到反射谱在946纳米处根本没有漏模出现，因此我们可以判定946纳米处的漏模是由有源区吸收造成的。而与此同时，921纳米和1024纳米处的漏模则完全没有发生变化，也就是说921纳米和1024纳米对应的漏模跟吸收没有关系，因此我们可以判定921纳米和1024纳米处的漏模是真正的腔模。由于1024纳米处的腔模更深而且更接近我们设计的波长，因此我们采用1024纳米处的腔模作为有效的高谐振性能的腔模。通过以上实验光谱和模拟光谱的计较，我们快速准确的判断出了946纳米处的波长是来自有源区的吸收，从而将其剔除，并且通过921纳米和1024纳米腔模的比较判断，最终确定了1024纳米处的高谐振性能腔模。

通过以上实施例，我们可以看出本发明一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，可以迅速有效地判定出由有源区吸收造成漏模，从而将其排除。这样为我们最终确定真正谐振的高性能腔模进而实现高量子效率的谐振腔增强型光电探测器打下非常好的基础。本发明实施方便快捷，将为谐振腔增强型光电探测器尤其是无上反射镜谐振腔增强型光电探测器在各个领域的更广泛应用提供有力的技术支持。

Claims (5)

1.一种判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，包括如下步骤：

步骤1：设计无上反射镜谐振腔增强型光电探测器的结构，其依次包括衬底、缓冲层、下反射镜、腔体以及顶部覆盖层，将设计好的探测器结构交由分子束外延设备生长，形成探测器样品；

步骤2：将设计的探测器样品生长好以后，利用光谱仪测量样品的反射谱，标出反射谱中高反带区域的各个漏模；

步骤3：依据光学传输矩阵的原理编辑模拟程序，模拟得到与设计的无上反射镜谐振腔增强型光电探测器结构以及层厚完全一致的理论模拟反射谱，在模拟过程中通过把有源区的光折射率设定为复数折射率来引入有源区的吸收因素，复数折射率的虚部就是有源区的吸收系数；

步骤4：调节模拟程序中反射镜各层和腔体各层的厚度，使模拟得到的反射谱与实验测得的反射谱保持一致，然后改变模拟程序中吸收层的吸收系数，并观察模拟反射谱中各个漏模的变化，随着吸收系数的增大，有源区吸收造成的漏模会变得更深更宽，而同时源自谐振腔模式的漏模即腔模不会发生任何变化，从而判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器反射谱中的漏模是来自有源区吸收还是来自腔模。

2.根据权利要求1所述的判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，其中腔体包括：依序生长的下砷化镓层、铟镓砷量子点、砷化镓间隔层和上砷化镓层。

3.根据权利要求1所述的判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，其中该无上反射镜谐振腔增强型光电探测器结构的衬底、缓冲层、腔体的主体和顶部覆盖层采用的材料是砷化镓。

4.根据权利要求1所述的判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，其中腔体中的有源层采用的材料是铟镓砷。

5.根据权利要求1所述的判定无上反射镜谐振腔增强型光电探测器有效腔模的方法，其中下反射镜由30对交替生长的砷化镓层和砷化铝层组成。

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