CN102237432B - 一种太赫兹或红外频段灵敏光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹或红外频段灵敏光子探测器，其包括平面金属结构层、光电转换层及下底板金属层，下底板金属层作为支撑结构，光电转换层和平面金属结构层依次由下往上叠在下底板金属层之上。下底板金属层与光电转换层之间为电连接，下底板金属层与平面金属结构层作为探测器电极，光信号由光电转换层转换为电信号，从而实现灵敏光子的探测。本发明的光电探测器效率高，且结构简单，制作方便，成本低廉。

Description

一种太赫兹或红外频段灵敏光子探测器

技术领域

本发明涉及一种灵敏光子探测器。 

背景技术

太赫兹、红外探测技术在冷战军备竞赛期间就获得研制和应用，由于其优良的隐蔽性和有效性而被广泛应用于军事领域。随着半导体制备技术、超大规模集成电路和微电机械加工(MEMS)技术的发展，太赫兹、红外探测器技术取得了极大进展，红外焦平面阵列技术是这种技术发展的一个里程碑。 

用于太赫兹或红外频段的光电探测器通过半导体带间跃迁对外界入射波做出响应，提高量子转换效率、降低暗电流是提高探测器精度的重要手段。在可见光波段，单晶硅的量子效率非常高，其自身的暗电流非常微弱，是可见光成像等系统的首选材料，但其吸收边在1.1微米。在长波，单晶硅材料对光没有任何响应。用于红外，太赫兹波段探测器的半导体材料主要是碲镉汞，锑化铟，砷化镓等。这些材料在红外有很宽频的电响应，同时也有高的热噪声电流水平和相对低的量子效率，影响了红外探测的探测灵敏值。量子阱探测器可以通过结构增强特定波长的吸收率，但是其量子效率也提升的有限，目前主要通过降低探测器的温度提升太赫兹，红外探测器探测精度，但是庞大和昂贵的低温系统大大限制了这类探测器的使用范围。并且低温环境下的探测器的量子效率也不高，例如工作在14.5微米的铝镓砷红外量子阱探测器其量子效率也只有10％左右。量子阱结构只在一个维度对电子波函数进行限制，因此对正入射的光波没有响应，用于红外探测器阵列的量子阱结构必须在探测器顶层加一层光栅结构，普通光栅的衍射效率并不是很高，最后导致了实际使用的量子阱探测器探测水平低下。 

本发明利用一种平面结构实现磁谐振增强半导体材料里面的电磁场，从而大大增强太赫兹、红外探测器的量子效率和探测水平，抑制太赫兹、红外探测器的暗电流水平。提高光电流大小，实现太赫兹、红外灵敏光子探测。 

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹或红外频段灵敏光子探测器，其利用金属-半导体-金属结构放大半导体材料中光场100倍以上，实现微弱信号探测。 

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是： 

本发明需包含平面金属结构层、半导体光电转换层、下底板金属层，下底板金属层作为整体结构的支撑层，半导体光电转换层和平面金属结构层由下往上依次叠在该下底板金属层上。平面金属结构层和下底板金属层为探测器的电极，光信号由半导体光电转换层转换为电信号。与普通光电探测器相比，金属结构层、下底板金属层与半导体层产生的磁谐振能放大光电场两个数量级，半导体层电场垂直于金属结构层，大大提高光电探测器效率，实现灵敏光子探测。 

本发明的平面金属结构层由一维或者二维周期阵列排布的金属单元组成，或者由同心排列的多个圆环组成，金属单元的缝隙小于周期长度的五分之一。平面金属结构层和下底板金属层的表面反向诱导电流产生可以产生高频和低频两种磁谐振，1)当金属结构的周期与半导体材料中的波长相近时，产生高频磁谐振态表现为高相干表面态，对正入射光波相当敏感，而对斜角度入射光波没有响应，可以实现灵敏光子探测；2)当金属结构的周期远小于半导体材料中的波长时，产生低频磁谐振态对所有角度入射的光波都有很好的响应，可以应用于高灵敏太赫兹、红外成像系统。 

平面金属结构层的金属单元可以是金属长条，也可以是金属方块、金属长方块、金属圆片或金属圆环等，由于探测器工作在太赫兹和红外波段，金属都表现为理想金属，因此金属种类的选择对探测器的性能并没有影响。半导体层是工作在太赫兹或红外频段的普通半导体光电或者光伏材料，比如砷化镓/铝镓砷量子阱结构，碲镉汞p-n结等，其吸收中心波长设计在探测频率附近。该层受太赫兹或红外频段光子照射后，能转换为电信号，但工作在太赫兹、红外波段的半导体材料本身量子效率很低，暗电流水平较高；本发明利用上表面金属结构和下底板金属层产生的磁谐振相干表面态能放大半导体光电转换层的电磁场，从而增加光电转换层的量子效率，抑制暗电流的形成，从而实现太赫兹或红外频段灵敏光子探测。 

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点： 

1、由于本发明由平面金属结构层、半导体光电转换层和下底板金属层构成的磁谐振态能放大半导体层的电磁场100倍以上，半导体光电转换层的电场垂直与金属结构层，因此大大增强半导体材料的量子效率。显著提升了光电流大小，探测器可以在常温工作。 

2、场增益的频率主要由平面金属结构层的周期和半导体层的介电常数决定，因此工作频率可以由结构参数来调节，覆盖太赫兹或红外频段。 

3、本发明的金属-半导体-金属结构产生的高频谐振态是高相干表面态，表面态的相干性导致了对入射光的响应角度非常小，半高宽可小于5度，空间分辨率相当高，可用于目标探测等系统。 

4、本发明的金属-半导体-金属结构产生的低频谐振态对入射光的入射角不敏感，可用于太赫兹、红外成像系统。 

5、本发明可以很方便地制作成红外探测器阵列。 

6、整体结构由三层平面结构组成，加工容易，价格便宜。 

7、本结构亦可用于基于热释电材料的光电探测器。 

附图说明

图1A为本发明第一实施例和第二实施例的结构示意图。 

图1B为本发明平面金属结构层的示意图一。 

图2A为本发明第一实施例的吸收频谱图。 

图2B为本发明第一实施例的吸收角度谱图。 

图3A为本发明第二实施例的吸收频谱图。 

图3B为本发明第二实施例的吸收角度谱图。 

图4为本发明平面金属结构层的示意图二。 

图5为本发明平面金属结构层的示意图三。 

图6为本发明平面金属结构层的示意图四。 

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。 

实施例： 

图1是显示本发明的太赫兹、红外波段灵敏光子探测器的第一实施例图案示意图。本发明的第一实施例由平面金属结构层1、半导体光电转换层2和下底板金属层3组成，在平面金属结构层1包含一维周期金属带结构，周期选取6.1微米，而金属缝隙采取0.2微米，平面金属结构层1厚度为0.2微米，整体结构为平面结构，很容易加工实现。本发明第一实施例下底板金属除了其增强探测器吸收率的作用外，还起到支撑整个结构的作用，可以是比较厚的金属层，可以根据具体要求进行设计，同时此金属层3和半导体光电转换层2是电接触， 

本发明第一实施例工作波长设计在15微米远红外灵敏光子探测器，半导体光电转换层2采用砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)量子阱结构，砷化镓/铝镓砷量子阱结构可以通过调节势垒层铝的组分和势阱层的厚度来调节其探测的波长和带宽，所采用的量子阱结构参数如表1，整个结构厚度为789纳米，吸收中心波长为15微米。但是红外波段背景暗电流较大，因此探测器的量子转换效率很低，工作在15微米的量子阱结构的吸收系数一般在500cm^-1以下，量子转换效率一般小于10％。量子阱结构对电子波函数只有一个维度的限制，因此对于正入射的入射光并没有响应，普通探测器通常把衬底磨成一个斜劈或者在量子阱层的附近可增加一个光栅结构来增加入射光和探测器的耦合效率。本发明第一实施例的金属-半导体-金属结构产生的磁谐振表面相干态能放大量子阱层的光电场，同时电场偏振方向垂直于量子阱结构，使入射光和量子阱的耦合效率达到最大。 

图2A显示为本发明第一实施例对入射光的理论计算吸收谱，如图所示，第一实施例在半导体材料吸收系数仅为180cm^-1时，对20.0THz(15微米)的红外电磁波的吸收率达到100％，达到灵敏探测效果。此吸收峰是利用本发明的金属-半导体-金属结构的高谐振峰增强对入射光的吸收率，在具有高灵敏度的同时，对入射光的方向很敏感，具有高空间分辨率。图2B显示了本发明第一实施例在20.THz(15微米)的吸收角度谱，如图所示，此吸收峰只对(-7，7)度角入射光有吸收。 

上述实施例只是本发明的太赫兹、红外灵敏光子探测器装置应用在对入射光入射角有高分辨需求的一个较佳实施例，本发明太赫兹、红外灵敏光子探测器还可以实现对入射光大角度都有很好响应的探测器，在第二实施例中，平面金属结构层1还采取第一实施例的结构和尺寸，半导体光电转换层2的量子阱结构的吸收中心波长设计在30微米，吸收系数取300cm^-1，图3A显示为本发明第二实施例对入射光的理论计算吸收谱，表明第二实施例能有效吸收频率为6.1THz的太赫兹波，图3B显示为此频率的吸收角度谱，表明第二实施例能有效吸收入射角为(-70，70)度范围内入射波。本发明第二实施例能对大角度入射光波有很灵敏的响应，电极处于半导体光电转换层的上下两面，可以很方便的应用于太赫兹、红外焦平面探测器用于高精度成像系统。 

本发明太赫兹、红外灵敏光子探测器的各个单元中的图案不限于上述第一 实施例和第二实施例的形状，图4、图5和图6分别显示本发明第三、第四和第五实施例上表面金属结构层1的形状。在第三实施例中，平面金属结构层1的周期单元为正方形的金属片，正方形贴片结构对入射光的偏振方向没有选择，因此可以同时探测p波和s波。第四实施例中，平面金属结构层1周期单元为同轴金属圆环，可以有效降低探测频率。第六实施例中，平面金属结构层1采取同心排列的多个圆环组成，此结构在柱坐标里可以和直角坐标的一维排列的金属条结构相类比。 

本发明能实现对入射光电场放大100倍以上，提高半导体材料量子效率，实现微弱信号探测。且本发明为平面结构、加工简单方便、成本低廉。 

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 

表1 

Claims (8)

1.一种太赫兹或红外频段灵敏光子探测器，其特征在于：其包括平面金属结构层、光电转换层及下底板金属层，下底板金属层作为支撑结构，光电转换层和平面金属结构层依次由下往上叠在下底板金属层之上；

所述下底板金属层与光电转换层之间为电连接，下底板金属层与平面金属结构层作为探测器电极，光信号由光电转换层转换为电信号；

所述平面金属结构层由一维或者二维周期阵列排布的金属单元组成，或者由同心排列的多个圆环组成。

2.如权利要求1所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述金属单元为金属长条。

3.如权利要求1所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述金属单元为金属方块、金属长方块、金属圆片或金属圆环。

4.如权利要求1所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述平面金属结构层金属单元的缝隙小于周期长度的五分之一。

5.如权利要求1所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述光电转换层为半导体光电转换层，其采用工作在太赫兹或红外频段的半导体光电或者光伏材料。

6.如权利要求1所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述光电转换层为热释电材料。

7.如权利要求5所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述光电转换层的材料采用量子阱、超晶格结构或半导体材料pn结。

8.如权利要求7所述的灵敏光子探测器，其特征在于：所述光电转换层采用砷化镓/铝镓砷量子阱结构或碲镉汞pn结。

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