CN103943714A - 基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器。该InGaAs光探测器包括：半导体衬底，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底上表面的缓冲层、下掺杂层、吸收层、上掺杂层；形成于上掺杂层上的金属光栅层，该金属光栅层为二维周期性亚波长光栅；其中，入射光波由半导体衬底未沉积薄膜的一面射入，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。本发明采用二维的周期性金属孔阵结构，可以与探测的光波发生耦合，激发表面等离子体效应，表面等离子体效应能将光场局域化在金属和半导体界面附近，可以弥补减薄的吸收层损失的探测率。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器。
背景技术
红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分，InGaAs材料是一种优良的近红外光电探测材料。在近红外探测领域，可应用于1-3微米波段的材料体系主要有基于碲镉汞(HgCdTe)、锑化铟(InSb)和铟镓砷(InGaAs)等。InGaAs探测器具有体系稳定、制冷要求低的特点。
InGaAs探测器在较高的工作温度具有较高的探测率，具有较高的信噪比、较低的功耗和较长寿命并有利于系统的小型化；同时InGaAs外延材料具有较好的均匀性和稳定性，器件制备工艺过程与Si工艺兼容，材料与器件的抗辐照性能好；近红外InGaAs材料体系吸收层具有低的本底载流子浓度和高迁移率，有利于在近红外波段获得平滑的量子效率。
图1为现有技术InGaAs红外光探测器的剖面示意图。请参照图1，该InGaAs红外光探测器100包括：半导体衬底层102，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底102上表面的缓冲层103、下掺杂层104、吸收层105、上掺杂层106、金属层107。其中：所述吸收层105为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料，即掺杂浓度低于5×1016/cm3以下；所述金属层107为平板金属结构或带有一维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层104和上掺杂层106均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层105构成pin结构，此处，重掺杂表示掺杂浓度高于5×1017/cm3，从该下掺杂层104和上掺杂层106分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术InGaAs红外光探测器具有以下技术缺陷：由于现有的探测器的结构吸收层厚度较厚，载流子的产生-复合电流较大，成为了暗电流的主要来源之一；同时较厚的吸收层的 厚度，会增加载流子的渡越时间，造成器件的响应速度变慢；对于平板的金属结构来说，只能起到反射的作用增加光的传播长度；而利用一维周期性的光栅结构虽然会对吸收增强有一定的提高，但是会对光的偏振方向有很强的选择性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器。
(二)技术方案
本发明基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器包括：半导体衬底102，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底102上表面的缓冲层103、下掺杂层104、吸收层105、上掺杂层106，吸收层105为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；下掺杂层104和上掺杂层106为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层105构成pin结构；形成于上掺杂层106上的金属光栅层107，该金属光栅层107为二维周期性亚波长光栅，其中，该二维周期性亚波长光栅在x方向和y方向的周期均小于探测波长；其中，入射光波由半导体衬底102未沉积薄膜的一面射入，从下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器具有以下有益效果：
(1)采用了拥有超薄吸收层的InGaAs红外探测器，由于吸收层的厚度较薄，这样可以大大的降低载流子的产生-复合电流，此外，较薄厚度的吸收层会在很大程度上减少载流子的渡越时间，增加器件的响应速度；
(2)采用二维的周期性金属孔阵结构，可以与探测的光波发生耦合，激发表面等离子体效应，表面等离子体效应能将光场局域化在金属和半导体界面附近，在吸收层中有较强的电场强度，可以弥补减薄的吸收层损失的探测率，同时，二维的周期性金属孔阵结构对光的偏振不敏感，实用性更强；
(3)通过对光栅参数的调节，可以将表面等离子体增强吸收的峰位调节至带尾吸收边的位置，起到平滑量子效率的作用，而且，金属光栅的加工和制备比较容易实现。
附图说明
图1为现有技术InGaAs红外光探测器的剖面示意图；
图2为本发明中周期性金属孔阵的结构示意图；
图3A-图3D为周期性金属孔阵的设计，其中：图3A为周期性金属孔为圆形，按正方形周期性排列；图3B为周期性金属孔为正方形，按正方形周期排列；图3C为周期性金属孔为矩形按平行四边形周期排列；图3D为周期性金属孔包含正三角和倒三角，按矩形周期排列；
图4为在光栅占空比为0.5的情况下，吸收层材料为200nm厚的In0.83GaAs材料时，探测器的吸收增强随周期以及波长变化的灰度图；
图5为光栅周期为880nm，孔直径为440nm，入射波长为2.6μm时，吸收强度随吸收层厚度变化的曲线，同时包含只有平板金属层没有光栅结构时，吸收强度随吸收层变化的曲线；
图6为光栅周期为880nm，孔直径为440nm，吸收层材料为200nm厚的In0.83GaAs材料时，在不同入射光偏振方向下，偏振方向为从0度到90度，吸收强度随波长变化的曲线；同时包含在不同的入射光的偏振方向下，只有平板金属层没有光栅结构时，吸收强度随波长变化的曲线。
【主要元件符号说明】
100-InGaAs红外光探测器
101-入射光波102-半导体衬底层
103-缓冲层；104-下掺杂层；
105-吸收层；106-上掺杂层；
107-金属层(金属光栅层)；108-等离子体波。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描 述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明采用金属亚波长结构与薄层InGaAs材料相结合，利用二维亚波长人工结构对光的局域限制产生的吸收增强作用和对入射光的偏振方向不敏感的特性，为实现InGaAs探测器暗电流降低和量子效率的提高提供了新的方法。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器。该InGaAs红外光探测器基于pin探测器原理而工作的，本征或低掺杂浓度的InGaAs层吸收红外波长的光子，激发产生电子和空穴对，并在外电场的作用下形成光电流。
本实施例InGaAs红外光探测器的剖面示意图与图1相同。同样请参照图1，本实施例InGaAs红外光探测器100包括：半导体衬底102，其两面抛光；依次沉积于半导体衬底102上表面的缓冲层103、下掺杂层104、吸收层105、上掺杂层106、金属光栅层107。其中：所述吸收层105为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料，即掺杂浓度低于5×1016/cm3以下；所述金属光栅层107为二维周期性亚波长光栅；所述下掺杂层104和上掺杂层106均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层105构成pin结构，此处，重掺杂表示掺杂浓度高于5×1017/cm3，从该下掺杂层104和上掺杂层106分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
请参照图1，本实施例InGaAs红外探测器件100，在光子探测过程中，入射光波101的波长范围为1μm～2.6μm波段。入射光波101包含的光子穿过半导体衬底102、缓冲层103、下掺杂层104，到达吸收层105。其中：
(1)第一部分光子被吸收层105直接吸收，激发电子空穴对，在下掺杂层104和上掺杂层106外加偏压作用下使得电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过上掺杂层106，入射到金属光栅层107；
(2)第二部分光子在金属光栅层107的上表面和/或下表面形成表面等离子体波108，形成的等离子体波108沿朝向衬底102的方向电场强度成指数衰减，在吸收层105处存在具有较大电场强度的表面等离子体波，该表面等离子体波能够被吸收层105吸收形成光电流；
(3)第三部分在金属光栅层107和上掺杂层106之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被吸收层105吸收。
以下对本实施例基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器的各个部分进行详细说明。
半导体衬底102的材料可以是InP、GaAs、或Si等。在实际应用中InGaAs红外探测器件100，半导体衬底未沉积薄膜的一面可引入介质层和针对探测波长的增透膜来提高探测器的吸收率。
在生长晶格不匹配的InGaAs吸收层材料时，缓冲层103起到应力释放的作用，其材料会根据半导体衬底102和下掺杂层104材料进行不同的选择，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者没有该缓冲层，均可以实现本发明。
InGaAs红外探测器件100的下掺杂层104和上掺杂层106两者所对应的材料可以为相同材料，也可以为不同材料；但两层的掺杂类型不同，且均能够和吸收层105构成pin结构。
吸收层105所对应的材料为InGaAs材料，且可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件100的探测范围进行调整，随着In的组分增加会延伸探测的截止波长。
金属光栅层107上的光栅结构为二维周期性亚波长光栅。二维周期性光栅结构的可以为单端器件或者为双端金属阵列，其阵列形状可以是圆形、矩形、三角形、规则多边形、不规则多边形或其他复杂形状，或这些形状中几种形状的复合。如图2所示周期性金属圆形孔结构的双端金属阵列，金属层的厚度和孔的深度相等。如图3A-图3D所示，给出了周期性孔阵可能采用的不同周期和孔的形状。(a)为周期性金属孔为圆形，按正方形周期性排列；(b)为周期性金属孔为正方形，按正方形周期排列；(c)为周期性金属孔为矩形按平行四边形周期排列；(d)为周期性金属孔包含正三角和倒三角，按矩形周期排列。除此之外，也可采用规则多边形、不规 则多边形或其他复杂的孔的形状，或这些形状中几种形状的组合；而金属孔阵的周期也可采用正三角形、倒三角形、规则多边形排列，或这几种排列组成的复合排列方式。其中，该周期性光栅的占空比介于0.3～0.7之间。
本发明所述的InGaAs红外探测器件100的金属光栅层107的材料是对入射光波反射很强且吸收较弱的金属，且应有很大的负折射率，如Au、Ag、Al等；且金属光栅层的厚度为20nm～5000nm。
本发明所采用的金属半导体界面结构，可使垂直入射的光在金属半导体界面处激发表面等离子体波，它是一种非辐射状态的电磁波，被束缚在金属光栅层107和上掺杂层106的界面附近。表面等离子体波的激发波长可通过改变金属光栅的孔阵周期进行调整，由于所激发的表面等离子体波的电场强度沿着朝向衬底的方向成指数衰减，故对于所设计的吸收层105需要和金属光栅层107表面较近，即上掺杂层的厚度足够薄，一般情况下小于200nm。在界面附近的近场范围内，表面等离子体波对电场有增强作用，使得吸收层105中有很大的电场增强，从而增强光的吸收。
金属光栅层107/上掺杂层106界面的表面等离子体模式的激发必须满足特定的波矢匹配条件，不能简单的通过入射光照射光滑表面来激发。我们在金属光栅层107中采用二维亚波长周期性阵列结构，来达到波矢匹配，从而激发表面等离子体。波矢匹配条件要求：
其中和分别为表面等离子体波矢和入射光波在半导体材料中的波矢，θ为入射光波的入射角。为金属表面光栅所提供的x，y方向的单位布拉格波矢，i和j为整数。此外存在如下关系：
其中，λ是入射光波在真空中的波长，εm和εs分别为金属光栅层107和上掺杂层106材料的介电常数。和分别为二维周期性亚波长光栅在x，y方向的周期，两者的模均小于1μm。
基于公式1～5，可以得出以下公式6：
因此当探测的目标波长λ确定时，可根据上式选取适当的周期Px和Py，来确定孔阵的参数。
基于上述实施例，以下给出几种具体的InGaAs红外光探测器：
(1)第一种InGaAs红外光探测器
如图1所示：一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs红外探测器件100，其包括一层半导体衬底层102；一位于所述衬底上的缓冲层103；一位于所述缓冲层上的重掺杂层104，且该层连接探测器的电极；一位于所述重掺杂层上的本征掺杂或低掺杂层105；一位于所述本征掺杂或低掺杂层上的重掺杂层106，且该层连接探测器电极；一位于重掺杂层上的金属层107，该金属层中具有二维光栅结构。
如图2所示为本发明实施例第一种InGaAs红外光探测器中二维周期性光栅的立体图，金属层的厚度和孔的深度相等。
此外周期性孔阵可能采用的不同周期和孔的形状。如图3所示，(a)为周期性金属孔为圆形，按正方形周期性排列；(b)为周期性金属孔为正方形，按正方形周期排列；(c)为周期性金属孔为矩形按平行四边形周期排列；(d)为周期性金属孔包含正三角和倒三角，按矩形周期排列。除此之外，也可采用规则多边形、不规则多边形或其他复杂的孔的形状，或这些形状中几种形状的组合；而金属孔阵的周期也可采用正三角形、倒三角形、规则多边形排列，或这几种排列组成的复合排列方式。入射光波101的波长范围为1μm-2.6μm波段，从半导体衬底102一侧入射，并最终被探测器所吸收。缓冲层103的材料会根据半导体衬底102和下掺杂层104材料进行不同的选择，且该缓冲层在生长晶格不匹配的InGaAs材料吸收层时起到应力释放的作用。下掺杂层104和上掺杂层106所对应的材料可 以为相同材料，也可以为不同材料，但两层的掺杂类型不同，且能够和吸收层105构成pin结构。吸收层105所对应的材料为InGaAs材料，可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件100的探测范围进行调整，增加In的组分会延伸探测的截止波长。
如图4为在光栅占空比为0.5的情况下，吸收层材料为200nm厚的In0.83GaAs材料时，探测器的吸收增强随周期以及波长变化的灰度图。可见最强增强倍数为1.5倍。在光子探测过程中，入射光波101的波长范围为1μm-2.6μm波段。
入射光波101包含的光子穿过半导体衬底层102、缓冲层103、重掺杂层104，到达本征或低掺杂层105一部分光子被吸收，激发电子空穴对，在外加偏压作用下使得电子空穴对被收集形成光电流。没有被吸收的光子经过重掺杂层106，入射到金属层107，光子在金属层107的上表面和/或下表面形成表面等离子体波108；形成的等离子体波108沿远离金属表面的方向电场强度成指数衰减，在本征或低掺杂层105处存在具有较大电场强度的表面等离子体波，表面等离子体波能够被本征或低掺杂层105吸收形成光电电流。在实际应用中，我们通过在所述的入射光波(101)的被入射表面可引入介质层和针对探测波长的增透膜来提高探测器的吸收率。
(2)第二种InGaAs红外光探测器
如图5所示，双端金属阵列的阵列形状为正方向，和的方向相互垂直，且模值相等，均为880nm，阵列孔为圆形，孔直径为440nm，入射波长为2.6μm时，吸收强度随吸收层厚度变化的曲线为图中灰线所示；同时包含只有平板金属层没有光栅结构时，吸收强度随吸收层变化的曲线为图中黑线。当吸收层的厚度为200nm时，可见带有二维周期性孔阵结构的InGaAs材料可以吸收33％的光，可以达到没有光栅结构时450nm的吸收层所吸收的光。我们可以发现在不损失吸收率的情况下，我们的吸收层厚度可以减少50％以上。
(3)第三种InGaAs红外光探测器
如图6所示，双端金属阵列的阵列形状为正方向，和的方向相互垂直，且模值相等，均为880nm，阵列孔为圆孔，孔直径为440nm，吸收层材料为200nm厚的In0.83GaAs材料时，在不同入射光偏振方向下，偏振 方向为从0度到90度，吸收强度随波长变化的曲线，图中实线所示；同时包含在不同的入射光的偏振方向下，只有平板金属层没有光栅结构时，吸收强度随波长变化的曲线，如图中虚线所示，可见二维孔阵结构对入射光的偏振方向是不敏感的。同时我们可以在，入射光波101的被入射表面引入介质层和针对探测波长的增透膜来提高探测器的吸收率。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)InGaAs还可以其他常用的PIN探测器材料如碲镉汞等来代替；
(2)pin结构中每层的掺杂浓度和掺杂方法可以用可构成pin结构的相应掺杂方式来代替。
综上所述，本发明通过引入金属亚波长光栅所产生的表面等离子体，可以在不损失吸收率的情况下，减薄吸收层，降低暗电流，降低对偏振光的敏感性，增强器件的响应速度。也可针对吸收边进行优化设计，弥补吸收边量子效率低，金属结构对较短波长光的散射效应也能提高器件的量子效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于表面等离子体效应增强吸收的InGaAs光探测器，其特征在于，包括：
半导体衬底(102)，其两面抛光；
依次沉积于所述半导体衬底(102)上表面的缓冲层(103)、下掺杂层(104)、吸收层(105)和上掺杂层(106)，其中，所述吸收层(105)为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料；所述下掺杂层(104)和上掺杂层(106)为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与所述吸收层(105)构成pin结构；
形成于所述上掺杂层(106)上的金属光栅层(107)，该金属光栅层(107)为二维周期性亚波长光栅，其中，该二维周期性亚波长光栅在x方向和y方向的周期均小于探测波长；
其中，入射光波由所述半导体衬底(102)未沉积薄膜的一面射入，从所述下掺杂层和上掺杂层分别电性连接出该InGaAs红外光探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
2.根据权利要求1所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述吸收层(105)的厚度小于200nm。
3.根据权利要求1所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述金属光栅层(107)的二维周期性亚波长光栅的周期满足：
其中，λ为探测的目标波长，εm和εs分别为所述金属光栅层(107)和上掺杂层(106)材料的介电常数，和分别为二维周期性亚波长光栅在x，y方向的周期，两者的模均小于1μm，i和j为整数。
4.根据权利要求3所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述金属光栅层(107)的二维周期性亚波长光栅为单端器件或双端金属阵列。
5.根据权利要求4所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述金属光栅层(107)的二维周期性亚波长光栅为双端金属阵列，其阵列形状为以下形状中的一种或多种：圆形、矩形和三角形，且金属层的厚度和阵列孔的深度相同。
6.根据权利要求5所述的InGaAs光探测器，其特征在于，双端金属阵列的阵列形状为正方向，和的方向相互垂直，且模值相等。
7.根据权利要求6所述的InGaAs光探测器，其特征在于，入射光波的波长范围介于1μm-2.6μm之间，所述，和的模值880nm，阵列孔为圆形，孔直径为440nm。
8.根据权利要求1所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述金属光栅层(107)的材料为Au、Ag或Al，其厚度介于20nm～5000nm之间。
9.根据权利要求1所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述二维周期性亚波长光栅的占空比介于0.3～0.7之间。
10.根据权利要求1所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述半导体衬底(102)未沉积薄膜的一面具有针对探测波长的增透膜。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的InGaAs光探测器，其特征在于，所述入射光波在该InGaAs光探测器的吸收包括：
(1)第一部分光子被所述吸收层(105)直接吸收，激发电子空穴对，在所述下掺杂层(104)和上掺杂层(106)外加偏压作用下使得该电子空穴对被收集形成光电流；
(2)第二部分光子在所述金属光栅层(107)的上表面和/或下表面形成表面等离子体波(108)，该等离子体波(108)被所述吸收层(105)吸收形成光电流；
(3)第三部分在所述金属光栅层(107)和上掺杂层(106)之间的界面发生反射朝向衬底方向返回，在返回的光程中再次被所述吸收层(105)吸收。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的InGaAs光探测器，其特征在于：
所述半导体衬底的材料为InP、GaAs、或Si；
所述吸收层(105)为掺杂浓度低于5×1016/cm3以下的InGaAs材料；
所述下掺杂层(104)和上掺杂层(106)为掺杂浓度高于5×1017/cm3的InGaAs材料。
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