CN103367473B - 一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，包括：半导体衬底、金属反射层、多量子阱结构、以及金属光栅。所述金属光栅、多量子阱结构与金属反射层组成法布里‑珀罗结构的金属共振微腔，调整所述金属光栅的周期、金属条的宽度以及多量子阱结构的厚度，使入射光子在腔体内形成符合法布里‑珀罗结构的共振模，可以在金属共振微腔中形成强场区，提高了入射光的有效强度，进而提高器件的响应率、探测灵敏度和工作温度。本发明结构简单，效果显著，实用性强，适用于工业生产。

Description

一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器
技术领域
本发明属于半导体领域，特别是涉及一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器。
背景技术
量子阱探测器是一种工作在中远红外、太赫兹频段的重要探测器。太赫兹量子阱探测器是太赫兹频段具有重要应用前景的光子型探测器，具有灵敏度高、探测速度快和窄带响应等特点。这种探测器的主要结构包括上接触层、多量子阱层和下接触层。量子阱数在10～100之间，在量子阱生长方向上，器件的厚度在2.0～5.0μm之间。通过掺杂在量子阱中引入束缚电子，由于抛物线形的能量色散关系，这些束缚电子仅能吸收在量子阱生长方向上有电场分量的光子，实现从束缚态到连续态或准连续态的跃迁，这就是太赫兹量子阱探测器的极性选择定则。器件工作时在上下接触层之间施加偏压(具体数值视量子阱数量及工作波长确定)，如果有符合量子阱探测器极性选择定则的光入射，束缚电子跃迁到连续态或准连续态，在外加偏压作用下形成光电流，实现光-电信号的转化。对于正入射的光(入射光方向与量子阱生长方向一致)，不会引起束缚电子的跃迁，无法形成光电流。因此，通常要改变入射光的方向或选择能够改变入射光极化方向的耦合方法。
由于太赫兹量子阱探测器是基于子带间跃迁的单极器件，需要采用特殊的光耦合方式以获得符合子带跃迁选择定则的入射光。对于太赫兹量子阱探测器单元器件来说，45度角入射的方式能够实现光耦合，具体做法是在器件侧面连同承载器件的衬底，研磨出与器件生长方向成45度角的镜面，使入射光垂直这一镜面入射，以获得量子阱生长方向上的电场分量。然而，对45度角入射光耦合方式来说，只有占总入射能量25％的光有可能被利用。
因此，提供一种高子带吸收效率，高响应率和高工作温度的太赫兹量子阱探测器实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，用于解决现有技术中子带吸收效率，响应率和工作温度均较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，至少包括：半导体衬底；金属反射层，结合于所述半导体衬底；多量子阱结构，包括结合于所述金属反射层的下电极、结合于所述下电极的GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层、以及结合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层的上电极；金属光栅，结合于所述多量子阱结构，包括多个间隔排列的金属条；所述金属光栅、多量子阱结构与金属反射层组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属反射层的材料为Al、Cu、Au、Pt或其任意组合的合金。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属光栅的周期为10～30μm，所述金属条的宽度为5～15μm。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述多量子阱结构的厚度为2～10μm。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的数量为10～40个，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的宽度为10～20nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩尔比为1％～5％。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属光栅的厚度为0.2～0.8μm。
在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述上、下电极均为n型掺杂的n-GaAs层，电子掺杂浓度为1.0×1017～5.0×1017/cm3。
作为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的一个优选方案，所述金属共振微腔为0级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为6.5μm，所述多量子阱结构的厚度为2μm。
作为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的一个优选方案，所述金属共振微腔为1级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为8μm，所述多量子阱结构的厚度为6μm。
如上所述，本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，具有以下有益效果：本发明包括：半导体衬底、金属反射层、多量子阱结构、以及金属光栅。所述金属光栅、多量子阱结构与金属反射层组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔，调整所述金属光栅的周期、金属条的宽度以及多量子阱结构的厚度，使入射光子在腔体内形成符合法布里-珀罗结构的共振模，可以在金属共振微腔中形成强场区，提高了入射光的有效强度，进而提高器件的响应率、探测灵敏度和工作温度。本发明结构简单，效果显著，实用性强，适用于工业生产。
附图说明
图1a显示为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的截面结构示意图。
图1b显示为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的平面结构示意图。
图2显示为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的归一化|Ez|2分布图。
图3显示为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的金属共振微腔中|Ez|2分量的体积平均值与传统45度角耦合下器件内|Ez|2体积平均值的比值图。
图4显示为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的光电流谱和能带结构图。
元件标号说明
11 半导体衬底
12 金属反射层
13 多量子阱结构
131 下电极
1321 及1322 GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层
133 上电极
14 金属光栅
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1a至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
请参阅图1a～图4，如图所示，本发明提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，至少包括：半导体衬底11；金属反射层12，结合于所述半导体衬底11；多量子阱结构13，包括结合于所述金属反射层12的下电极131、结合于所述下电极131的GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层1321及1322、以及结合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层1321及1322的上电极133；金属光栅14，结合于所述多量子阱结构13，包括多个间隔排列的金属条；所述金属光栅14、多量子阱结构13与金属反射层12组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔。
在本实施例中，所述半导体衬底11为GaAs衬底，当然，在其它的实施例中，所述半导体衬底11可能为InP衬底或GaN衬底等。
所述金属反射层12的材料为Al、Cu、Au、Pt或其任意组合的合金。在本实施例中，所述金属反射层12的材料为Au，当然在其它实施例中，所述金属反射层12的材料为可以为Pt，Pt、Au合金、Al、Au合金或者其它预期的金属合金材料或金属叠层。在传统的量子阱探测器中增加了金属反射层12，使入射的光经过反射后形成共振，可以大大增大器件的耦合效率。
所述金属光栅14的周期为10～30μm，所述金属条的宽度为5～15μm。在本实施例中，所述金属光栅14的周期为20μm，所述金属条的宽度为6.5μm。
所述多量子阱结构13的厚度为2～10μm。在本实施例中，所述多量子阱结构13的厚度为2μm。
所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层1321及1322中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的数量为10～40个，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的宽度为10～20nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩尔比为1％～5％。在本实施例中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的数量为10个，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的宽度为15.5nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩尔比为3％。
所述金属光栅14的厚度为0.2～0.8μm。在本实施例中，所述金属光栅14的厚度为0.5μm。
所述上、下电极131均为n型掺杂的n-GaAs层，电子掺杂浓度为1.0×1017～5.0×1017/cm3。
依据麦克斯韦方程可以得出，金属共振微腔的共振波长由金属光栅的周期、金属条的宽度、量子阱结构的厚度及量子阱结构的折射率决定，由于量子阱结构的折射率基本固定，通过采用有限元方法和数值计算方法求解麦克斯韦方程的方法可以得出金属光栅的周期、金属条的宽度、量子阱结构的厚度的关系，依此为依据所进行设计的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，具有Ez分布较均匀，金属共振微腔的共振频率与太赫兹量子阱探测器峰值响应波长一致的特点。
在本实施例中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为6.5μm，所述多量子阱结构的厚度为2μm，所述多量子阱结构的折射率为3.3，对于本实施例的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，符合0级法布里-珀罗共振模。
如图2～图4所述，在本实施例中，利用有限元分析软件计算不同金属微腔结构参数下共振时场强|Ez|2的分布图来说明金属微腔耦合效率提高的效果，计算中GaAs折射率为3.3。其中，入射波为线性极化单色平面波，将垂直金属光栅平面的方向定义为z方向，并在z方向引入理想匹配层，用以消除边界的虚假反射。探测器的峰值响应频率为5.4THz。
图2显示为频率为5.4THz下归一化|Ez|2分布图。如图2(a)所示，金属共振微腔的0级模的|Ez|2最大值出现在金属条的边缘处，沿z方向衰减较快，因此选择较薄的金属共振微腔有利于得到更高的耦合效率。故在本实施例中，多量子阱结构的厚度选择为2μm时，可有效提高耦合效率。
图3显示为金属共振微腔中|Ez|2分量的体积平均值与传统45度角耦合下器件内|Ez|2体积平均值的比值。可以看出在共振峰5.4THz处，金属共振微腔的0级模在线性子带吸收情况下，其峰值耦合效率是传统45度角耦合的100余倍，因此可以大大提高太赫兹量子阱探测器的响应率和工作温度。
图4显示为响应峰值为5.4THz的太赫兹量子阱探测器的光电流谱和能带结构。GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al组分为3％，GaAs/(Al，Ga)As量子阱宽度为15.5nm，GaAs/(Al，Ga)As量子阱中心10nm区域掺杂浓度6.0×1016/cm3。GaAs/(Al，Ga)As量子阱的第2子带处于略低于势垒高度的位置，使第1第2子带间有较大的子带跃迁偶极矩，同时在适当外加偏压下，第2子带上的光激发电子可以很快通过隧穿和散射转移到连续态，形成光电流。光电流谱的峰值响应频率与金属微腔的共振频率一致，两者大部分交叠，保证了金属微腔耦合太赫兹量子阱探测器有很高的耦合效率，可以大大提高太赫兹量子阱探测器的工作性能。
实施例2
请参阅图1a～图4，如图所示，本发明提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，至少包括：半导体衬底11；金属反射层12，结合于所述半导体衬底11；多量子阱结构13，包括结合于所述金属反射层12的下电极131、结合于所述下电极131的GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层1321及1322、以及结合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层1321及1322的上电极133；金属光栅14，结合于所述多量子阱结构13，包括多个间隔排列的金属条；所述金属光栅14、多量子阱结构13与金属反射层12组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔。
在本实施例中，所述半导体衬底11为GaAs衬底。所述金属反射层12的材料为Au与Al合金，所述金属光栅14的周期为20μm，所述金属条的宽度为8μm，所述多量子阱结构13的厚度为6μm。
所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的数量为30个，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的宽度为15.5nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩尔比为3％，所述金属光栅14的厚度为0.5μm。
所述上、下电极131均为n型掺杂的n-GaAs层，电子掺杂浓度为1.0×1017～9.0×1017/cm3。
在本实施例中，所述金属光栅14的周期为20μm，所述金属条的宽度为8μm，所述多量子阱结构13的厚度为6μm，所述多量子阱结构13的折射率为3.3，对于本实施例的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，符合1级法布里-珀罗共振模。
如图2～图4所述，在本实施例中，利用有限元分析软件计算不同金属微腔结构参数下共振时场强|Ez|2的分布图来说明金属微腔耦合效率提高的效果，计算中GaAs折射率为3.3。其中，入射波为线性极化单色平面波，将垂直金属光栅14平面的方向定义为z方向，并在z方向引入理想匹配层，用以消除边界的虚假反射。探测器的峰值响应频率为5.4THz。
图2显示为频率为5.4THz下归一化|Ez|2分布图。图2(b)显示1级模电场强度最大值出现在金属条边缘处和底面金属反射层12附近，而且场强分布比0级模的分布更均匀。因此选择较厚的金属腔有利于得到更高的耦合效率且更均匀的场强分布。故本实施例中，将所述多量子阱结构13的厚度设计为6μm时，可有效提高耦合效率并提高耦合的均匀性。
图3显示为金属共振微腔中|Ez|2分量的体积平均值与传统45度角耦合下器件内|Ez|2体积平均值的比值。可以看出在共振峰5.4THz处，金属共振微腔的1级模在线性子带吸收情况下，其峰值耦合效率是传统45度角耦合的100余倍，因此可以大大提高太赫兹量子阱探测器的响应率和工作温度。
图4显示为响应峰值为5.4THz的太赫兹量子阱探测器的光电流谱和能带结构。GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al组分为3％，GaAs/(Al，Ga)As量子阱宽度为15.5nm，GaAs/(Al，Ga)As量子阱中心10nm区域掺杂浓度6.0×1016/cm3。GaAs/(Al，Ga)As量子阱的第2子带处于略低于势垒高度的位置，使第1第2子带间有较大的子带跃迁偶极矩，同时在适当外加偏压下，第2子带上的光激发电子可以很快通过隧穿和散射转移到连续态，形成光电流。光电流谱的峰值响应频率与金属微腔的共振频率一致，两者大部分交叠，保证了金属微腔耦合太赫兹量子阱探测器有很高的耦合效率，可以大大提高太赫兹量子阱探测器的工作性能。
综上所述，本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，包括：半导体衬底11、金属反射层12、多量子阱结构13、以及金属光栅14。所述金属光栅14、多量子阱结构13与金属反射层12组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔，调整所述金属光栅14的周期、金属条的宽度以及多量子阱结构13的厚度，使入射光子在腔体内形成符合法布里-珀罗结构的共振模，可以在金属共振微腔中形成强场区，提高了入射光的有效强度，进而提高器件的响应率、探测灵敏度和工作温度。本发明结构简单，效果显著，实用性强，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于，至少包括：
半导体衬底；
金属反射层，位于所述半导体衬底之上；
多量子阱结构，包括位于所述金属反射层之上的下电极、位于所述下电极之上的GaAs/(Al,Ga)As量子阱叠层、以及位于所述GaAs/(Al,Ga)As量子阱叠层之上的上电极，所述多量子阱结构的厚度为2～10μm；所述GaAs/(Al,Ga)As量子阱叠层中，所述GaAs/(Al,Ga)As量子阱的数量为10～40个，所述GaAs/(Al,Ga)As量子阱的宽度为10～20nm，所述GaAs/(Al,Ga)As量子阱中Al的摩尔比为1％～5％；
金属光栅，位于所述多量子阱结构之上，包括多个间隔排列的金属条，所述金属光栅的周期为10～30μm，所述金属条的宽度为5～15μm；
所述金属光栅、多量子阱结构与金属反射层组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔。
2.根据权利要求1所述的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于：所述金属反射层的材料为Al、Cu、Au、Pt或其任意组合的合金。
3.根据权利要求1所述的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于：所述金属光栅的厚度为0.2～0.8μm。
4.根据权利要求1所述的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于：所述上、下电极均为n型掺杂的n-GaAs层，电子掺杂浓度为1.0×1017～5.0×1017/cm3。
5.根据权利要求1所述的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于：所述金属共振微腔为0级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为6.5μm，所述多量子阱结构的厚度为2μm，所述多量子阱结构的折射率为3.3。
6.根据权利要求1所述的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，其特征在于：所述金属共振微腔为1级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为8μm，所述多量子阱结构的厚度为6μm，所述多量子阱结构的折射率为3.3。
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