CN102709346A - 一种半导体量子阱光探测器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光波探测器技术领域，具体涉及一种半导体量子阱光探测器件。该探测器包括半导体层、量子阱层和一层亚波长周期性结构的金属膜；量子阱中至少具有两个能级，并具有一定的载流子浓度。一定频谱宽度入射光波垂直或倾斜于半导体层入射，入射光波激发周期性结构的金属膜/量子阱界面的表面等离子体，表面等离子体被半导体量子阱吸收并发生电子子带跃迁过程，跃迁的电子在外加偏压下形成电流信号。本发明中的半导体量子阱光探测器件，其探测效率可大幅度提高。
Description
技术领域
本发明属于光波探测器技术领域，具体涉及一种半导体量子阱光探测器件。
背景技术
采用量子阱结构的器件进行光探测，是中远红外波段光探测的主要技术之一。然而，一方面，半导体量子阱结构的光波吸收受该领域广泛认知的“极化选择定律”的限制，即量子阱只能吸收与量子阱平面垂直的电场分量的光波，而在实际应用中对于直接垂直入射光波吸收极小，如参见文献1。因而实际的器件必须结合倾角入射（如文献2）、光栅耦合（如文献3）或刻蚀槽结构（如文献4）等复杂的工艺处理。这些方法不仅增加了工艺的难度、降低了产率，同时还限制了器件的适用领域和性能。为克服这一问题，采用具有周期性金属孔结构作为光波耦合结构，实现了量子阱结构对垂直入射光波的有效吸收（文献5），这主要利用的是被称之为“表面等离激元”的光学技术，它能够将垂直入射的光转变为沿金属表面传播的电磁波模式（如文献6）。
已经公开的利用周期性金属孔结构作为量子阱光探测器的光耦合器件的技术中，主要应用的是一层金属的孔阵列结构，入射光从金属层一侧入射，这种耦合器件虽然相对早期的斜角入射、光栅耦合等效率均有一定提高，但效率仍然较低（吸收率7-10%，如文献7）；同时，也无法实现多个表面等离子体模式与半导体中特征频率的耦合。为克服这两个问题，本发明将成熟的半导体能带工程技术与周期性金属孔结构的表面等离子体技术相结合，利用两者良好的灵活性，实现量子阱中电子对光波的吸收效率。本发明中的半导体量子阱光探测器吸收效率比从金属层入射的半导体量子阱光探测器吸收效率（如文献8）提高约9倍。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种结构设计灵活、探测性能高、制备工艺简单的半导体量子阱光探测器件，以满足对垂直入射光波、倾角入射光波进行光波探测应用的需要。
本发明提供的半导体量子阱光探测器件，包括：
半导体层，在该半导体层一侧表面内侧附近有量子阱层，量子阱层中具有一定的载流子浓度（浓度一般1015-1018/cm3），并至少具有两个能级。
金属层，该金属层在半导体表面上，并具有亚波长周期性金属孔结构；
入射光波，该入射光波在垂直于半导体表面和量子阱层平面的方向上，或者在与垂直方向成一倾斜角的方向上，从半导体层一侧入射并最终被量子阱层所吸收。
本发明中，所述半导体层中的量子阱层可以是单层量子阱层，也可以是多层量子阱结构。
本发明中，所述量子阱层具有掺杂浓度：1015-1018/cm3，使得量子阱中基态能级具有足够的载流子数，当载流子吸收光波能量时可发生子带跃迁。
本发明中，所述金属层上的周期性金属孔结构为圆形孔阵列结构，或者为十字孔阵列结构、矩形孔阵列结构、三角形孔阵列结构、圆环孔阵列结构或工形孔阵列结构等。
本发明中，所述金属层上的周期性金属孔阵列可按照正方形、矩形、平行四边形、正三角、倒三角等方式排列。
本发明中，所述金属层上的周期性结构可以双端口的周期性金属孔结构，也可以是单端口的周期性金属孔结构。单端口的周期性金属孔结构可调节孔的深度，在很大范围内改变周期性孔结构的共振波长。
本发明中，所述入射光波包含的光子可以穿过半导体层入射到金属层上并在其上表面和/或下表面形成表面等离子体；形成的等离子体在量子阱层处具有较大的竖直电场分量（Ez），从而激发量子阱中的载流子发生子带跃迁，使得能量被量子阱层所吸收。
本发明涉及的光波探测元件，具有金属周期性结构，其表面等离子体模式可以通过金属周期性结构的设计进行方便的调节；量子阱结构与金属周期性结构之间距离较小，使得金属结构中表面等离子体与量子阱中子带跃迁具有足够的耦合强度，耦合的频率匹配程度和单频或多频匹配由探测元件的性能需要决定，并通过量子阱和金属的结构优化设计来实现。
本发明中量子阱层具有合适的掺杂浓度（一般为1015-1018/cm3），量子阱子带能级中基态存在足够的载流子浓度，在光激发情况下，可发生从基态至一个或多个激发态的子带跃迁。这继承了半导体结构设计的灵活性以及成熟的工艺技术，使得本发明所涉及的光波探测元件可以根据探测应用的需要，灵活地设计器件的结构。
本发明所采用的金属与半导体界面结构，可形成金属的表面电荷与电磁场的组合振荡，即表面等离子体波，为一种非辐射状态的光波，被约束在金属/电介质（半导体）界面附近。其电场强度随着远离界面呈指数衰减，并在金属/电介质（半导体）界面附近的近场范围内，电场具有增强作用，当量子阱结构处于界面附近时可以有足够的吸收强度。同时，在半导体层中，电场的方向以垂直于界面的Z方向为主，这满足了量子阱结构对光波的极化选择定律要求。
为了使入射光波在金属/半导体界面激发表面等离子体模式，入射光波和表面等离子体要满足动量守恒，本发明在金属层中采用亚波长周期性阵列结构。动量守恒条件要求：
其中， 
，分别为入射光波在半导体材料中的波矢和表面等离子体波的波矢，为入射光波的入射角（满足：，优选
），
，
为界面平面内X、Y方向的单位波矢，、
为孔阵列在X、Y方向的周期长度。
。此外，波矢与所探测的光波波长存在如下关系：
其中，是入射光波在真空中的波长，分别为金属和半导体材料的介电常数。因此，当探测的目标波长和探测角度确定时，可根据（1）式，选取适当的后，确定合适的阵列结构的周期参数。同时，根据子带跃迁过程能量守恒的要求，选取合适的能带结构，并应用能带工程技术设计合适的量子阱结构。
附图说明
图1为本发明所涉及的结构图。入射光波从半导体材料垂直入射。
图2 为本发明所涉及的结构图。入射光以入射角
入射。
图3为本发明中金属层双端口周期性金属孔结构示意图。
图4为本发明中金属层单端口周期性金属孔结构示意图。
图5周期性金属孔结构采用的除圆形孔外的其他设计孔结构。其中，（a）为周期性金属孔结构为矩形，按正方形周期性排列；（b）为周期性金属孔结构为矩形，按平行四边形周期性排列；（c）为周期性金属孔结构为十字孔，按矩形周期性排列；（d）为周期性金属孔结构包含正三角和倒三角，按矩形周期性排列；（e）为周期性金属孔结构为圆环，按正方形周期性排列；（f）为周期性金属孔结构为工形，按正方形周期性排列。
图6为入射光垂直照射到半导体量子阱光探测器件上的反射谱。
图7为半导体量子阱光探测器件的频率调节性能。
图8为在给定的几何参数下量子阱处平均的电场增强‹E 2›/‹E0 2› 和 ‹Ez 2›/‹E0 2›图示。
图9为一种实施例结构图示。
具体实施方式
下面结合附图和实例进一步描述本发明，但这些附图和实例不构成对本发明的限制。
图1为本发明的结构图。其中，入射光波110从半导体材料102和量子阱层104一侧垂直入射，最终被量子阱层104所吸收，产生表面等离子体波112，其垂直方向电场分量114（Ez）。
图2为本发明的结构图。其中，入射光以入射角
入射，可探测一个波长，也可以同时探测两个以上波长。
本发明中金属层周期性结构有两种：一种为为双端口的周期性金属圆形孔结构即金属层的厚度与孔的深度相等，如图3所示；另一种为单端口的周期性金属圆形孔结构，与半导体量子阱接触的一侧的金属是有周期性孔结构的，在另一侧金属表面是平滑的，即金属层厚度大于周期性孔的深度，如图4所示。示意图的周期性孔结构为圆形孔结构，并不限制周期性孔结构。
图5示出了周期性金属孔结构可能采用的除圆形孔外的其他设计孔结构。其中，（a）为周期性金属孔结构为矩形，按正方形周期性排列；（b）为周期性金属孔结构为矩形，按平行四边形周期性排列；（c）为周期性金属孔结构为十字孔，按矩形周期性排列；（d）为周期性金属孔结构包含正三角和倒三角，按矩形周期性排列；（e）为周期性金属孔结构为圆环，按正方形周期性排列；（f）为周期性金属孔结构为工形，按正方形周期性排列。
图6示出了入射光垂直照射到半导体量子阱光探测器件上的反射谱，可以看出半导体量子阱光探测器件在共振频率处具有更强的吸收，同时具有三个共振吸收频率f 1、f 2和f 3。显示了本发明中半导体量子阱光探测器件具有的优势。
图7示出了半导体量子阱光探测器件的频率调节性能。当金属层108的圆形孔阵列的深度t逐渐增大时，反射谱上的共振频率f逐渐增多，因此改变圆形孔结构的深度可以实现本发明中半导体量子阱光探测器件多波长探测。
图8示出了在给定的几何参数下量子阱处平均的电场增强‹E 2›/‹E0 2› 和 ‹Ez 2›/‹E0 2›，其中E0 为入射光的电场强度，‹E 2›/‹E0 2› 和 ‹Ez 2›/‹E0 2›最大可分别达12倍和10倍。按照“极化选择定律”，量子阱只吸收垂直于量子阱平面方向的电场Ez ，因此‹Ez 2›/‹E0 2›的提高在某种程度上表示本发明中半导体量子阱光探测器性能的提高。
图9为一种实施例。采用本发明中的半导体量子阱光探测器件，通过测量器件纵向的输运性质进行光探测。具体来说，采用周期性金属圆形孔结构，周期为3.4，圆孔直径为2，金属层108材料为Au，厚度为100，半导体层102为GaAs，厚度为5
，量子阱层104为AlGaAs，厚度10
。制备欧姆接触后采用外加电路116测量光信号。入射光波110从衬底材料102一侧入射，激发不同阶表面等离子体波，激发的表面等离子体波被量子阱层104吸收，量子阱中的电子发生子带跃迁，子带跃迁产生的自由载流子在外电场的作用下漂移，增加了电路中的载流子数，从而给出可测的电流信号的变化。
本实施例在GaAs体系上实现，但在应用本发明过程中，可以在更广泛的半导体材料体系上实现，如Si/SiGe、InP、GaN、SiC、CdSe等。
尽管已示出并描述了根据本发明的实施例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的基本原理和精神的情况下，可以对这些实施例作出改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。
Claims (7)
1. 一种半导体量子阱光探测器件（100），其特征在于包括：
半导体层（102），在该半导体层（102）一侧表面（106）内侧有量子阱层（104），量子阱层（104）中具有浓度为1015-1018/cm3的载流子，并至少具有两个能级；
金属层（108），该金属层（108）在半导体表面（106）上，并具有亚波长周期性金属孔结构；
入射光波（110），该入射光波（110）在垂直于半导体表面（106）和量子阱层（104）平面的方向上，或者在与垂直方向成一倾斜角的方向上，从半导体层（102）一侧入射并最终被量子阱层（104）所吸收，
。
2. 如权利要求1所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述半导体层（102）中的量子阱层（104）是单层量子阱层，或者是多层量子阱结构。
3. 如权利要求1所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述量子阱层（104）具有掺杂浓度：1015-1018/cm3，使得量子阱中基态能级具有足够的载流子数，当载流子吸收光波能量时可发生子带跃迁。
4. 如权利要求1所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述金属层（108）上的周期性金属孔结构为圆形孔阵列结构，或者为十字孔阵列结构、矩形孔阵列结构、三角形孔阵列结构、圆环孔阵列结构或工形孔阵列结构。
5. 如权利要求4所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述金属层（108）上的周期性金属孔阵列按照正方形、矩形、平行四边形、正三角或倒三角方式排列。
6. 如权利要求4所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述金属层（108）上的周期性金属孔结构为双端口的，或者为单端口的。
7. 如权利要求1所述的半导体量子阱光探测器件，其特征在于，所述入射光波（110）包含的光子穿过半导体层（102）入射到金属层（108）上并在其上表面和/或下表面形成表面等离子体（112）；形成的等离子体（112）在量子阱层（104）处具有较大的竖直电场分量（Ez），从而激发量子阱（104）中的载流子发生子带跃迁，使得能量被量子阱层（104）所吸收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121003 |