CN103928557B - 太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法 - Google Patents
太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法，所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料表面的多级同心圆环以及覆盖于各所述同心圆环表面的反射金属层，所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径 rk=(2k‑1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率。本发明的同心圆环光耦合器可直接制作于器件表面，与现有常用的光栅结构光耦合器相比，本发明可实现会聚的功能，可有效提升器件有源区单位体积内的光强，从而实现器件性能的大幅度提升。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)探测器是各项THz研究和各种THz应用系统的关键器件。THz量子阱光电探测器(QWP)因其具有体积小、易集成、响应速度快等优点，被广泛认为是最具发展潜力的THz探测器之一。从目前应用需求角度看，提高器件的灵敏度及工作温度是未来THzQWP的主要发展方向。
由于量子力学的限制，太赫兹量子阱光电探测器(THz QWP)对垂直照射在其表面的入射光几乎没有响应，因此需要特殊的方法来实现器件的光耦合。常用的光耦合方式可分为直接耦合和光耦合器耦合两大类。直接耦合包括了45度角端面入射和布鲁斯特角方向入射两种，这两种方式非常简单有效，适合在实验室中对器件的性能进行快速表征，但是缺点在于耦合效率偏低，而且这种方式不利于构建器件的焦平面阵列，从而限制了成像方面的应用。光耦合器耦合方式则很好的克服了这些缺点，不仅能有效提升耦合效率，还能够实现器件在正入射条件下的工作，对器件的应用没有任何限制。因此，开发一款高性能的光耦合器对实现高灵敏度的THz QWP具有非常重要的意义。
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太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法，已实现一种具有会聚功能，并可有效提升器件有源区单位体积内的光强，从而实现器件性能的大幅度提升的太赫兹量子阱光电探测器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器，所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料表面的多级同心圆环以及覆盖于各所述同心圆环表面的反射金属层，所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器的一种优选方案，所述同心圆环光耦合器至少包括7级同心圆环。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器的一种优选方案，所述多级同心圆环中，凸同心圆环与凹同心圆环的高度差为0.5～2μm。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器的一种优选方案，所述反射金属层为Ti/Pt/Au金属叠层。
本发明还提供一种太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，包括步骤：
1)提供器件材料，于所述器件材料表面刻蚀出多级同心圆环，所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率；
2)于圆心附近区域形成遮挡层，采用质子注入的方法将阻挡层以外的器件材料区域中和，保留圆心附近区域为器件的有效区域；
3)于所述多级同心圆环表面形成反射金属层。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法的一种优选方案，所述多级同心圆环的级数不少于7。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法的一种优选方案，所述多级同心圆环中，凸同心圆环与凹同心圆环的高度差为0.5～2μm。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法的一种优选方案，步骤2中，所述遮挡层的形状为半径等于第二级同心圆环的圆形。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法的一种优选方案，步骤3)采用蒸镀的方法于所述多级同心圆环表面形成Ti/Pt/Au金属叠层，作为反射金属层。
作为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法的一种优选方案，所述器件材料采用分子束外延的方法形成于半绝缘GaAs衬底表面。
如上所述，本发明提供一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法，所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料表面的多级同心圆环以及覆盖于各所述同心圆环表面的反射金属层，所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率。本发明的同心圆环光耦合器可直接制作于器件表面，与现有常用的光栅结构光耦合器相比，本发明可实现会聚的功能，可有效提升器件有源区单位体积内的光强，从而实现器件性能的大幅度提升。
附图说明
图1a～图1b显示为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器的结构示意图，其中，图1b为图1a中A-A’截面的结构示意图。
图2～图3b显示为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法步骤1)所呈现的结构示意图。
图4～图5显示为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法步骤2)所呈现的结构示意图。
图6显示为本发明的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法步骤3)所呈现的结构示意图。
元件标号说明
10 器件材料
20 同心圆环
201 凸同心圆环
202 凹同心圆环
30 遮挡层
40 反射金属层
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～图6。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
如图1a～图1b所示，其中，图1b为图1a中A-A’截面的结构示意图，本实施例提供一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器，所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料10表面的多级同心圆环20以及覆盖于各所述同心圆环20表面的反射金属层40，所述多级同心圆环20呈凹凸相间排列，各所述同心圆环20的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环20对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料10的折射率。
作为示例，为了有效提升光强，所述同心圆环光耦合器至少包括7级同心圆环20。
作为示例，所述多级同心圆环20中，凸同心圆环201与凹同心圆环202的高度差为0.5～2μm。
作为示例，所述反射金属层40为Ti/Pt/Au金属叠层，在本实施例中，所述Ti/Pt/Au金属叠层中，各层金属的厚度分别为25nm/55nm/300nm。
具体地，以一个峰值响应频率f0＝5.27THz的太赫兹量子阱光电探测器为例，进一步说明本实施例的具体实施方式，所述太赫兹量子阱光电探测器的器件材料10为GaAs，图1a中两条虚线之间显示为太赫兹量子阱光电探测器的有源区所述太赫兹量子阱光电探测器表面形成有同心圆环光耦合器。
在5.27THz，GaAs的折射率n≈3.7877，可计算得到太赫兹量子阱光电探测器的在器件材料10中的峰值响应波长λ0/n≈15μm。所以，根据公式rk＝(2k-1)λ0/(4n)，可以得到各级同心圆环20的半径：第一级凹同心圆环202半径r1＝3.75μm，第二级凸同心圆环201半径r2＝11.25μm，第三级凹同心圆环202半径r3＝18.75μm……，在本实施例中，所述同心圆环20的级数为30，最终可得，第三十级凸同心圆环201半径r30＝221.25μm。另外，在本实施例中，凸同心圆环201与凹同心圆环202的高度差为1μm。
实施例2
如图2～图6所示，本实施例还提供一种太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，包括步骤：
如图2～图3b所示，其中，图3b为图3a所示结构的俯视图，首先进行步骤1)，提供器件材料10，于所述器件材料10表面刻蚀出多级同心圆环20，所述多级同心圆环20呈凹凸相间排列，各所述同心圆环20的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环20对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料10的折射率。
作为示例，所述器件材料10采用分子束外延的方法形成于半绝缘GaAs衬底表面。
作为示例，所述多级同心圆环20的级数不少于7。
作为示例，所述多级同心圆环20中，凸同心圆环201与凹同心圆环202的高度差为0.5～2μm。
具体地，以一个峰值响应频率f0＝5.27THz的太赫兹量子阱光电探测器为例，进一步说明本步骤的具体实施方式，所述太赫兹量子阱光电探测器的器件材料10为GaAs，图2中两条虚线之间显示为太赫兹量子阱光电探测器的有源区，所述太赫兹量子阱光电探测器表面形成有同心圆环光耦合器。
在5.27THz，GaAs材料的折射率n≈3.7877，可计算得到太赫兹量子阱光电探测器的在器件材料10中的峰值响应波长λ0/n≈15μm。所以，根据公式rk＝(2k-1)λ0/(4n)，可以得到各级同心圆环20的半径：第一级凹同心圆环202半径r1＝3.75μm，第二级凸同心圆环201半径r2＝11.25μm，第三级凹同心圆环202半径r3＝18.75μm……，在本实施例中，所述同心圆环20的级数为30，最终可得，第三十级凸同心圆环201半径r30＝221.25μm。另外，在本实施例中，凸同心圆环201与凹同心圆环202的高度差为1μm。
如图4～图5所示，接着进行步骤2)，于圆心附近区域形成遮挡层30，采用质子注入的方法将阻挡层以外的器件材料10区域中和，保留圆心附近区域为器件的有效区域。质子注入的方法将阻挡层以外的器件材料10区域中和，可以有效提升器件有源区内的平均光强。
在本实施例中，所述遮挡层30的形状为半径等于第二级同心圆环20的圆形。当然，所述遮挡层30的形状和尺寸可以根据器件性能需求进行调整，并不限定于此处所列举的一种。
作为示例，所述遮挡层30为光刻胶或其它种类的掩膜版。
如图6所示，最后进行步骤3)于所述多级同心圆环20表面形成反射金属层40。
作为示例，采用蒸镀的方法于所述多级同心圆环20表面形成Ti/Pt/Au金属叠层，作为反射金属层40。在本实施例中，所述Ti/Pt/Au金属叠层中，各层金属的厚度分别为25nm/55nm/300nm。在所述多级同心圆环20表面形成反射金属层40，可以有效提高光强。
本实施例对依据本实施例制作方法制作的太赫兹量子阱光电探测器内部的电磁场分布情况进行模拟，数据显示，当THz入射光从下表面垂直入射时，在同心圆环的中心处出现了明显的焦点，焦点附近区域内的THz场得到了显著增强。经商用有限元分析软件Comsol求解分析，集成同心圆环光耦合器的太赫兹量子阱光电探测器，其有源区内的平均光强可达到普通一维光栅耦合太赫兹量子阱光电探测器的约20倍，可见，本发明的具有同心圆环光耦合器的太赫兹量子阱光电探测器可以实现器件性能的大幅度提升。
如上所述，本发明提供一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器及制作方法，所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料10表面的多级同心圆环20以及覆盖于各所述同心圆环20表面的反射金属层40，所述多级同心圆环20呈凹凸相间排列，各所述同心圆环20的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环20对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料10的折射率。本发明的同心圆环光耦合器可直接制作于器件表面，与现有常用的光栅结构光耦合器相比，本发明可实现会聚的功能，可有效提升器件有源区单位体积内的光强，从而实现器件性能的大幅度提升。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 (8)
1.一种太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器，其特征在于：所述同心圆环光耦合器包括形成于器件材料表面的多级同心圆环以及覆盖于各所述同心圆环表面的反射金属层，
所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率，所述同心圆环耦合器的有效区域的形状为半径等于第二级同心圆环的圆形；
所述多级同心圆环中，凸同心圆环与凹同心圆环的高度差为0.5～2μm。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器，其特征在于：所述同心圆环光耦合器至少包括7级同心圆环。
3.根据权利要求1所述的太赫兹量子阱光电探测器的同心圆环光耦合器，其特征在于：所述反射金属层为Ti/Pt/Au金属叠层。
4.一种太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，其特征在于：包括步骤：
1)提供器件材料，于所述器件材料表面刻蚀出多级同心圆环，所述多级同心圆环呈凹凸相间排列，各所述同心圆环的半径rk＝(2k-1)λ0/(4n)，其中，k为同心圆环对应的级数，λ0为太赫兹量子阱光电探测器的峰值响应波长，n为太赫兹量子阱光电探测器的器件材料的折射率；
2)于圆心附近区域形成遮挡层，采用质子注入的方法将遮挡层以外的器件材料区域中和，保留圆心附近区域为器件的有效区域，所述遮挡层的形状为半径等于第二级同心圆环的圆形；
3)于所述多级同心圆环表面形成反射金属层。
5.根据权利要求4所述的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，其特征在于：所述多级同心圆环的级数不少于7。
6.根据权利要求4所述的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，其特征在于：所述多级同心圆环中，凸同心圆环与凹同心圆环的高度差为0.5～2μm。
7.根据权利要求4所述的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，其特征在于：步骤3)采用蒸镀的方法于所述多级同心圆环表面形成Ti/Pt/Au金属叠层，作为反射金属层。
8.根据权利要求4所述的太赫兹量子阱光电探测器的制作方法，其特征在于：所述器件材料采用分子束外延的方法形成于半绝缘GaAs衬底表面。
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2014
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