CN102185002B

CN102185002B - 基于Plasmon增强的量子阱红外探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN102185002B
Application number: CN2011100809690A
Authority: CN
Inventors: 李海军; 刘冬; 杨乐臣; 付凯; 王逸群
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: CN102185002A

Abstract

本发明公开了基于Plasmon增强的量子阱红外探测器及其制备方法，其包括：一Si-GaAs衬底；一位于所述衬底上的AlAs缓冲层；一位于所述缓冲层上的AlAs:Si下接触层；一位于所述下接触层上的多量子阱层；一位于所述多量子阱层上的AlAs:Si上接触层；一位于所述上接触层上的金属薄膜和上电极，所述的金属薄膜具有光栅结构，所述的上电极镶嵌于金属光栅中；一位于所述下接触层上并环绕整个所述的金属薄膜、上接触层和多量子阱层的环形下电极。本发明公开的探测器利用Plasmon的局域特性和光栅的选频特性，实现了信号的增强和滤波，提高了量子阱的吸收效率，增强了量子阱红外探测器的灵敏度。

Description

基于Plasmon增强的量子阱红外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外光探测器领域，特别涉及一种基于Plasmon增强的量子阱红外探测器及其制备方法。

背景技术

量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector-QWIP)可以通过改变势阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工裁剪，实现响应波长的可控。并且以其材料生长和制备工艺成熟，易于大面阵集成、稳定性好、器件均匀性好、可操作像元数高、产量高、成本低、探测器光谱响应带宽窄、不同波段之间光学串音小、容易实现双色或多色焦平面器件、抗辐射及器件工艺大部分可以和HgCdTe 红外焦平面探测器兼容等优点，在国防探测、矿物资源探测、森林防火、工业监控及医疗卫生等领域有广泛的应用前景，成为近年来红外探测器领域研究的热点。GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN材料体系的多量子阱红外探测器是近些年来发展起来的新一代红外探测器，因其在材料生长、探测波段和器件性能等方面的技术优势，正成为研究和应用领域的热点。然而受到红外量子阱子带跃迁选择定则的限制，垂直于量子阱材料的入射光子不能激发QWIP量子阱层中的基态电子跃迁。通过一定的耦合方式，使入射光通过折射或衍射等方式来产生平行于量子阱方向的光分量，从而将光子能量耦合到量子阱层，常见的耦合方式有一维光栅耦合、45°磨角耦合、无序光栅及波纹耦合等。通过比较发现，45°磨角耦合的方法简单但耦合效率较低，适合对生长材料探测峰值的测定；而波纹耦合和无序光栅的结构制作在工艺上难于控制。在一维光栅的基础上，将周期结构拓展到二维空间，得到了耦合效率更高的二维光栅结构。同时，二维光栅结构也是更适合大面积焦平面红外量子阱探测器的光栅耦合形式。传统二维光栅耦合方式利用入射光在光栅结构处的折射和衍射等方式来获得平行于量子阱生长方向上的电场强度，其耦合效率仍然较低。而表面等离子体激元增强作用下的二维金属光栅结构可以在光栅表面形成金属自由电子和入射光子的耦合共振波，即沿着金属和介质界面传播的表面等离子波，其电场方向平行于量子阱的生长方向，且在近场范围内有很强的增强性，而量子阱的位置正处于近场增强范围，所以量子阱不仅可以吸收到光子，而且光强大大增强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体激元近场增强效应耦合光栅的量子阱红外探测器及其制备方法。

这种新型的光栅耦合方式可以使更多的光子在金属光栅表面被捕获，并在满足一定的条件下可以与金属表面的自由电子发生共振，形成沿着金属表面传播的电子疏密波即表面等离子体激元(Plasmon)。表面等离子体激元将能量束缚在金属表面，在近场范围内可以增强平行于量子阱材料生长方向上的的电场强度，从而提高多量子阱层的电子跃迁几率。平坦的金属表面无法产生表面等离子体激元共振，这是由材料的色散关系决定的。入射光在介质中传播的波矢与表面等离子体波的波矢不匹配，不能满足动量守恒定律，无法实现入射光波与表面等离子体激元的能量耦合。我们可以通过制作表面周期性结构来引入额外的波矢来满足表面等离子体激元的激发条件，实现能量的局域增强作用。为此，我们需要将金属膜做成周期变化的二维光栅结构即形成金属光栅来实现对入射光的耦合增强。

此外，表面等离子体增强型二维光栅耦合的方式还可以起到对入射光进行滤波选频的作用，通过合理设计光栅阵列的尺寸、形状、周期、以及排列方式等结构参数实现对探测波段的选择透过，有效降低其他波段入射光带来的噪声信号，降低器件的暗电流。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的：

基于Plasmon增强的量子阱红外探测器，其包括：一Si-GaAs衬底；一位于所述衬底上的AlAs缓冲层；一位于所述缓冲层上的AlAs:Si下接触层；一位于所述下接触层上的多量子阱层；一位于所述多量子阱层上的AlAs:Si上接触层；一位于所述上接触层上的金属薄膜和上电极，所述的金属薄膜具有的光栅结构，所述的上电极镶嵌于金属光栅中；一位于所述下接触层上并环绕整个所述的金属薄膜、上接触层和多量子阱层的环形下电极。

进一步地，所述的金属薄膜上的光栅结构为圆柱孔阵列。

进一步地，所述的圆柱孔阵列为正三角形排列或正方形排列的。

进一步地，所述的多量子阱层为50个周期的AlGaAs/GaAs。

进一步地，所述的金属薄膜为120nm厚度的Au、Ag或Al。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的：

基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其包括以下步骤：

S1：使用MOCVD在Si-GaAs衬底上面依次长出AlAs缓冲层、AlGaAs:Si下接触层、多量子阱层、AlGaAs:Si上接触层；

S2：采用步进式投影光刻技术，在所述的AlGaAs:Si上接触层上制作出金属光栅和上电极的图形掩膜，然后用

-

ICP刻蚀技术刻蚀出相应的图形结构；

S3：采用紫外光刻技术，在接触层上用

- ICP刻蚀出下电极台面；

S4：采用紫外光刻技术，刻蚀出上电极和下电极的图形掩膜，并使用磁控溅射技术溅射一层AuGe/Ni/Au，再利用剥离工艺即可得到上电极和下电极；

S5：采用紫外光刻技术，制备出金属光栅的图形掩膜，使用磁控溅射技术溅射出金属薄膜，形成金属光栅；

S6：分别从上电极和下电极上引线，进行封装。

进一步地，所述的S5步骤中金属薄膜的金属光栅结构为圆柱孔阵列。

进一步地，所述的S1步骤中的多量子阱层为50个周期的AlGaAs/GaAs。

进一步地，所述的金属薄膜为120nm厚度的Au、Ag或Al。

本发明的积极进步效果在于：

与现有红外探测器相比，本发明的红外量子阱探测器提高了量子阱中基态电子跃迁几率，同时该金属光栅又可以作为器件的电极使用，具有良好的接触特性和电流扩展能力。同时，本发明还利用Plasmon的局域特性和光栅的选频特性，实现了信号的增强和滤波，减少了暗电流，降低了噪声信号的影响，提高了量子阱的吸收效率，增强了量子阱红外探测器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例1的器件结构剖视图；

图2为本发明实施例1的器件结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

实施例一

图1为本发明实施例1的器件结构剖视图。图2为本发明实施例1的器件结构俯视图。如图所示，1为Si-GaAs衬底，厚度为0.5mm左右；2为AlAs缓冲层，厚度为200nm左右，3为AlGaAs:Si下接触层，厚度为1000nm左右，4为环形下电极，5为金属薄膜，厚度为120nm左右，6为上电极，7为AlGaAs:Si上接触层，厚度为2000nm左右，8为多量子阱层，为50个周期的AlGaAs/GaAs，即在基底材料上依次长出几十纳米的AlGaAs层、几纳米的GaAs层，如此循环50个周期，9为金属光栅上的孔。金属薄膜5具有光栅结构，上电极6镶嵌于金属薄膜5中，环形下电极4位于下接触层3上并环绕整个金属薄膜5、上接触层7和多量子阱层8。

金属薄膜5的材料可以选择Au、Ag、Al等多种金属材料，对于每种金属，只是其折射率不一样而已，可以通过模拟和计算来确定相应的结构参数，该模拟利用FDTD solutions软件，建立图1中金属光栅部分的模型来进行模拟计算，并得出其透射谱，对于金属光栅的结构和尺寸的计算是通过对透射峰位的要求来不断修改模拟模型计算得到的，并利用模拟结构作为实验数据参考。本实施例选用Au，综合考虑波峰的位置和强度，选用周期为3微米即两个圆柱孔圆心之间距离为3微米，圆柱孔半径为0.7微米。金属薄膜上的二维孔阵列光栅上的孔形状根据应用需要有多种方式，本实施例选用圆柱形，之所以采用圆柱孔阵列是由于圆形的均匀性和对称性较其他形状更好。金属光栅结构一般采用圆柱孔阵列，阵列可以用正三角形排列或者正方形排列，在相同的周期和面积下，两种排列方式的占空比是不一样的，正三角形较正方形排列的占空比更大，这对波峰的强度是一大贡献，从几何图形上来看，正三角形排列的均匀性更好，这对光栅表面的利用率更高。本实施例选用正三角形排列。

上述基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其包括以下步骤：

S1：使用MOCVD在0.5mm左右的Si-GaAs衬底1上面依次长出200nm 的AlAs缓冲层2，1000nm左右的AlGaAs:Si下接触层3，50个周期的AlGaAs/GaAs的多量子阱层8、2000nm左右的AlGaAs:Si上接触层7；

S2：采用步进式投影光刻技术，在所述的AlGaAs:Si上接触层7上制作出金属光栅和上电极6的图形掩膜，然后用- ICP刻蚀技术刻蚀出相应的图形结构；

S3：采用紫外光刻技术，利用

-

ICP刻蚀技术在下接触层3上面刻蚀出下电极4的台面；

S4：采用紫外光刻技术，刻蚀出上电极和下电极的图形掩膜，并使用磁控溅射技术溅射一层AuGe/Ni/Au，再利用剥离工艺即可得到上电极6和下电极7；

S5：采用紫外光刻技术，制备出金属光栅的图形掩膜，使用磁控溅射技术溅射出金属薄膜5，形成金属光栅；金属薄膜5的材料为Au，厚度为120nm，金属光栅结构为圆柱孔阵列，周期为3微米即两个圆柱孔的圆心之间距离为3微米，圆柱孔半径为0.7微米。该圆柱孔阵列为正三角形排列。

S6：将上述器件做成大面积阵列，并分别从上电极6和下电极4上引线，进行封装。即可得到该探测器。

实施例二

本实施例与实施例一相似，其区别仅在金属薄膜的材料选择用Ag，金属光栅结构的阵列选用正方形排列。正方形排列也有其优势，其排列是沿着x和y轴的，其排列在两个方向上是等效的，因此其计算也是等效的。

实施例三

本实施例与实施例一相似，其区别仅在金属薄膜的材料选择用Al。

以上所述仅为本发明的几个较佳实施方式，并不是用于限制本发明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，本领域的技术人员对这些实施方式做出的变更和修改，都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S2：采用步进式投影光刻技术，在所述的AlGaAs:Si上接触层上制作出金属光栅和上电极的图形掩膜，然后用III-V ICP刻蚀技术刻蚀出相应的图形结构；

S3：采用紫外光刻技术，在接触层上用III-V ICP刻蚀出下电极台面；

S6：分别从上电极和下电极上引线，进行封装。

2.根据权利要求1所述的基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述的S5步骤中的金属光栅结构为圆柱孔阵列。

3.根据权利要求2所述的基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述的圆柱孔阵列为正三角形排列或正方形排列的。

4.根据权利要求1所述的基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述的S1步骤中的多量子阱层为50个周期的AlGaAs/GaAs。

5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的基于Plasmon增强的量子阱红外探测器的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜为120nm厚度的Au、Ag或Al。