CN105161564A - 适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面。将等离激元微腔集成到QWIP焦平面像元，该微腔能够有效地捕获入射光子，将其局域在等离激元微腔内形成横向传播的法布里-珀罗共振驻波，并且与微腔中的QWIP耦合转化为光电流从而提升焦平面器件的响应率性能。共振驻波的中心波长取决于微腔的几何尺寸，在不同的焦平面像元上设计制备不同尺寸的微腔将使像元的响应峰值波长也各不相同，形成像元的波段选择性响应。将所选择的波段与高光谱分光波段相对应地分布在焦平面像元上，使高光谱成像应用中各波段的像元响应率得的选择性提升，从而提升整个高光谱成像焦平面的探测灵敏度。

Description

适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面

技术领域

本发明涉及高光谱成像应用中对量子阱红外探测器的响应率进行波段选择性增强的红外焦平面探测器，具体是指等离激元微腔光耦合增强响应率的高光谱成像量子阱红外焦平面器件。

背景技术

光谱分析，尤其是红外光谱分析，能够反映被测物体的原子和分子振动的信息，揭示其微观结构和化学成分等指标，因此成为自然科学研究中的一种重要手段。光谱成像技术是一种新兴的光电成像探测技术，在探测目标物体光学强度分布的同时也探测该物体相应的光谱分布，在某种程度上类似于彩色数码照相机上的红、绿、蓝三色探测，只是光谱的波段划分要精细得多。光谱成像既有图像分辨能力，又有光谱分辨能力，能够同时快速测量和分析物体的形状和光谱构成，实现对物体的定位和结构及成分分析，在目标识别、遥感探测以及医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。

按照光谱的波段分辨能力，即波段宽度除以中心波长，表示为△λ/λ，光谱成像技术能够划分为多光谱、高光谱和超光谱等不同的成像层次。通常人们将△λ/λ～0.1的量级称为多光谱，△λ/λ～0.01量级称为高光谱，而△λ/λ～0.001量级称为超光谱，具体通过光栅分光或者是窄带滤光片来实现。从多光谱到高光谱、超光谱，波段的划分越来越细，成像的光谱分辨率也越来越高。但随之而来的问题是波段的窄化造成单一波段通道中能够到达探测器的光子数越来越少，使得探测器的响应也相应地被削弱。为了实现高光谱分辨下的高灵敏探测，必须要求相应探测器具有更高的探测能力，能够实现在入射光子数减少的情况下也具有足够的响应能力。

在红外波段，目前广泛使用的高灵敏度探测器主要有碲镉汞(HgCdTe,MCT)探测器和AlGaAs/GaAs量子阱探测器(QWIP)。QWIP器件由于在材料制备和器件工艺方面成熟稳定，具有大面积均匀性、成品率高、材料和器件关键参数可控性好等优点，特别适合于制备长波8-12μm、甚长波12-16μm波段的焦平面探测器。然而，QWIP的工作机理来自于量子阱子带间跃迁，其本征的子带能级的低态密度造成对光的吸收较弱，入射到光敏元的光子大部分不能被吸收，而是逃逸出光敏元。此外，由于子带间跃迁的量子力学选择定则，量子阱材料对垂直入射的光子不能吸收，目前QWIP焦平面器件主要通过介质光栅耦合结构改变入射光的传播方向来实现子带间跃迁的波矢匹配。由于介质光栅对光耦合不能表现共振特征，因此光耦合效率较低。为了提高QWIP器件对入射光的耦合效率，本发明人曾经设计了一种亚波长等离激元微腔耦合结构，利用其陷光效应和法布里-珀罗(F-P)共振效应能够实现QWIP器件响应率160倍的提升。相关的专利申请号为：201410546873.2，专利名称：提升光电探测器光响应的亚波长等离激元微腔光耦合结构。该结构的基本特征是由底层完整金属和顶层周期性排列的金属条块夹持中间的量子阱激活层构成，其间距在上、下金属表面近场倏逝波的范围之内，因此上、下层金属发生耦合，形成光场沿纵向均匀分布的模式。而在横向上，单个金属条块的边界形成阻抗失配的界面反射层，光场两个界面之间形成F-P共振的驻波，使入射光子陷落在该微腔中形成局域光场的集聚，并通过驻波的来回传播增大了在量子阱中的有效光程，因此从增加有效光强和延长吸收长度两个方面提升了量子阱的光吸收，使得光电响应率得到大幅提升。

在此基础上，本发明人进一步发现，能够通过改变上层金属条块的线宽调节该微腔耦合结构的共振波长。特别是，将不同共振波长的微腔耦合结构制作在同一焦平面芯片的不同像元上，则形成不同波段的选择性共振，得到选择性增强的单个像元或者是像元列。将其与高光谱成像装置中的分光器件相对应，即能够实现在确保高光谱的光谱分辨能力的前提下进行高灵敏度探测。由于整个焦平面像元阵列中所采用的光电转换激活材料是相同的，具有同一个本征的光吸收特性。而本发明所涉及的波段选择性响应增强耦合结构具有几何尺寸决定的共振波长选择性，能够被设计成共振波长在不同像元上顺序逐渐变化的结构。其结果是在同一个本征的光吸收特性上叠加一个共振增强的模式特性，并且按照高光谱划分的波段对共振波长进行调谐。入射光在经过高光谱分光元件之后，尽管到达探测器像元的总光子数由于分光而受到限制，但由于探测像元的光响应被有针对性地提高，依然能够实现在确保高光谱分辨率下的高灵敏度光谱成像探测。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于高光谱成像应用的波段选择性增强响应率的量子阱红外探测器(QWIP)焦平面器件，解决目前高光谱成像探测焦平面中由于分光之后到达探测器像元的总光子数减小而形成的像元响应较弱的问题。所述等离激元微腔结构能够将入射光陷落在微腔中形成光场的集聚和驻波共振，并且能够通过调节上层金属条块的线宽来调谐共振波长，进而达到针对分光波段的响应增强，与高光谱分光波段相匹配，最终提高高光谱成像仪的整体性能。

本发明采用的等离激元微腔进行光耦合的结构，其结构为以入射光经过先后为序依次是：上层金属阵列层1，QWIP焦平面像元2，下层金属反射层3。

所述的金属阵列层1为周期为p、线宽为s、厚度为h1的金属阵列。其维度包括一维和二维阵列，其材质包括但不限于高导电性的金或者银。为了改善其黏附性，可在其与焦平面像元2之间附加一层厚度为0～30纳米的黏性金属，其材质包括但不限于钛。其周期p、线宽s和厚度h1的数值由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使入射光波能够与金属中电子集体振荡形成的等离激元的局域表面模式发生共振耦合，在共振模式的诱导下进入耦合微腔中，形成横向的驻波腔模模式。

所述的QWIP焦平面像元2为QWIP焦平面通用像元，像元所含功能层自上到下依次为n型掺杂AlGaAs阻挡层、n型掺杂上电极层、GaAs/AlGaAs量子阱激活层、n型掺杂下电极层。其厚度h2由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使耦合进入微腔结构中的电磁波所形成的横向驻波模式达到最强。按照等离激元微腔近场耦合要求，h2必须小于所探测入射光的等效光波长，即真空中的光波长除以该层物质的折射率。对于折射率的最小取值为3时，h2应不大于在介质中的探测波长三分之一。

所述的下层金属反射层3是指一层覆盖在像元台面底部的金属层，其厚度h3不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0048倍，其宽度L应尽量覆盖全部的像元台面从而尽可能多地与金属方块形成等离激元微腔，该层材质包括但不限于高导电性的金或者银。为了改善其黏附性，可在其与焦平面像元2之间附加一层厚度为0～30纳米的黏性金属，其材质包括但不限于钛。

所述的波段选择性增强是指焦平面芯片上的每个像元或者每行/列像元上的金属阵列层(1)具有不同线宽s，其尺寸对应的共振波段包含高光谱分光的中心波长。不同的线宽s对应了不同的共振中心波长，可以顺序排列，也可以随机分布。

本发明基于的工作原理是：针对特定的光电探测波长所设计的一维或二维金属条块阵列，使得金属条块中电子的集体振荡所形成的等离激元能够与入射光发生共振耦合。上层金属条块与下层金属反射层共同作用，对光场的分布形成了新的调制，使得耦合进入微腔中的光波沿量子阱平面传播，并形成驻波形式的腔模，导致光场被限制在微腔之中，阻止了光子的逃逸，极大地提高了入射光子的利用率。例如：针对结构参数取金属线宽s为5.9微米、对应的共振波长为14.4微米的有限元方法计算表明，等离激元微腔光耦合结构中能够被量子阱吸收产生光电流的具有z分量电场的光子将被局域在金属方块区域，在入射光电场取为单位值1时，微腔中z分量电场平方的数值最高能够达到76.4，反映出光场的高度集聚与增强。

耦合腔模的共振波长由以下方程决定：

${\mathrm{\λ}}_K=\frac{2n_{eff}s}{K}$

其中λ_K为共振波长，n_eff为介质QWIP的等效折射率，s为金属条块的线宽，K为共振模式阶数。腔模的传播方向由自由空间中的垂直于探测器平面的z方向转变成为沿着探测器平面方向传播，并由QWIP像元中的激活层吸收之后转变成为光电流。从腔模共振公式上看，在选定的共振级数K和微腔波导介质等效折射率n_eff的情况下，该腔模共振波长正比于金属条块线宽s，改变上层金属线宽就能够调控腔模共振波长。通过设计一系列具有不同线宽s的焦平面像元，各像元的共振波长将形成系列变化，即所增强的波段形成系列变化。将其设计成与成像光谱技术中的分光波段相匹配，则在各个相应的分光波段，探测器像元的光谱响应都将得到一个理想的提升，进而提升成像光谱仪的整体性能。

本发明的优点在于：

1将等离激元微腔集成到QWIP焦平面像元中，利用上层金属阵列与下层金属反射层之间的等离激元共振，使入射光子被微腔捕获，陷落在微腔中形成局域光场的增强，并且不断被量子阱吸收从而形成光电流，最终导致红外焦平面探测像元的响应率得到极大地提升。在本发明的实施例中，能够实现在同一芯片上峰值波长在13.0-15.2微米范围内相比于标准45度磨角耦合方式的响应率提高5.3～12.3倍。

2等离激元微腔耦合结构腔模共振波长可通过改变金属线宽来实现，通过将一系列不同金属线宽的等离激元微腔集成到不同的焦平面像元上，使其对应于不同波段的响应率增强。在本发明的实施例中，能够将单一本征吸收峰值波长在13.6微米的量子阱红外探测器实现同一芯片上共振峰值波长在13.0-15.2微米范围的波段选择性增强。将其与成像光谱仪的分光波段相匹配，最终得到在不同的窄波段内焦平面器件响应率的极大提升，适用于高光谱成像应用。

附图说明

图1是本发明实施例的适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面单个像元示意图。1：上层金属方块形成的二维阵列，2：焦平面QWIP像元，3：下层金属反射层，4：倒焊互联铟柱层。

图2是本发明实施例的适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面的单行像元局部排列示意图，焦平面像元阵列经由铟柱倒焊与读出电路芯片互连。各个像元列上的微腔上层金属线宽s顺序变化，对应着共振波长的顺序变化，也对应着像元响应峰值波长的顺序变化。

图3是本发明实施例一中不同上层金属线宽s的等离微腔光耦合的QWIP像元及其45°磨角器件的响应率谱。在13.0-15.2微米范围内相比于标准45度磨角耦合方式的响应率分别提高了5.3～12.3倍。

图4是本发明实施例一中不同上层金属线宽s的等离微腔光耦合的QWIP器件的归一化响应率谱，能够实现在同一芯片上13.0-15.2微米范围内共振峰值波长的调谐，调谐能力超过14％。

具体实施方式

下面以通过二维分布的等离激元微腔光耦合结构调控GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器焦平面的响应率增强共振波长为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例采用GaAs/Al_xGa_l-xAs量子阱QWIP焦平面探测器材料，通过三个采用不同尺寸参数的耦合结构实施例来证明本发明的可行性和有效性。其中厚度尺寸参数h1、h2和h3固定不变，改变上层二维金属阵列的周期p和线宽s。

本实施例所涉及的提升QWIP焦平面性能的等离激元微腔光耦合结构，包括：金属方块阵列层1，是周期为p、线宽为s、厚度为h1的金属阵列。本实施例中采用的金属为金，厚度h1取100纳米。为了改善其黏附性，在其与焦平面像元2之间附加了一层金属20纳米钛。金属阵列1通过薄膜淀积方法制备得到，并通过光刻和腐蚀形成光栅图形。

焦平面像元2，自上而下分别是：子层厚度为190纳米的n型掺杂GaAs上电极层，掺杂浓度为2.0×10¹⁷cm^-3；子层厚度为100纳米的Al_xGa_l-xAs上势垒层，其中x＝0.15；子层厚度为7纳米的n型掺杂GaAs势阱层，掺杂浓度为2.0×10¹⁷cm^-3；子层厚度为100纳米的Al_xGa_l-xAs下势垒层，其中x＝0.15；子层厚度为190纳米的n型掺杂GaAs下电极层，掺杂浓度为2.0×10¹⁷cm^-3；子层厚度为300纳米的n型掺杂Al_xGa_1-xAs阻挡层，x＝0.4。6个子层的总厚度构成h2，其值为887纳米，即0.887微米。

下层金属反射层3，所述实例为TiAu层，Ti厚度为50纳米，Au厚度为300纳米，焦平面器件中的AuGeNiAu层被置于像元台面的右下角5微米×5微米的区域，为了能与金属方块形成多个等离激元微腔，所述金属反射层边长应该尽量接近于像元台面尺寸，本实施例边长L取23微米。该层金属反射层通过薄膜淀积方法制备得到。

实施例一：通过针对多个像元设计不同的线宽s以达到调控不同的增强响应率的共振波长，上层金属为二维金属方块阵列，线宽s取7个不同的数值，分别为5.1、5.3、5.5、5.7、5.9、6.1、6.3微米，对应的像元光响应的峰值波长分别为13.0、13.5、13.8、14.1、14.4、14.8、15.2微米。周期p的数值保持10微米不变。

实施例二：通过针对多个像元设计不同的线宽s达到调控不同的增强响应率的共振波长，上层金属为一维金属条纹阵列，线宽s取7个不同的数值，分别为5.1、5.3、5.5、5.7、5.9、6.1、6.3微米，对应的共振波长分别为13.0、13.5、13.8、14.1、14.4、14.8、15.2微米。周期p的取值为s+2微米。

实施例三：通过设计不同的线宽s达到调控不同的增强响应率的共振波长，上层金属为一条单一的金属条纹，线宽s取7个不同的数值，分别为5.1、5.3、5.5、5.7、5.9、6.1、6.3微米，对应的共振波长分别为13.0、13.5、13.8、14.1、14.4、14.8、15.2微米。每个像元只放置一个等离激元微腔。

上述三个实施例获得的结果相近，附图3、4中给出了实施例一的实验测试结果。

图3是本发明实施例一中实际测量得到的等离激元微腔光耦合的QWIP器件与标准的45度磨角器件响应率光谱。由于量子阱对垂直入射的光子不吸收，因此采用45度磨角器件作为标准器件来标定耦合结构对量子阱红外探测器的增强效果。可以看出，不同的线宽的等离激元微腔光耦合的QWIP具有波段选择性增强的作用，线宽s分别为5.1、5.3、5.5、5.7、5.9、6.1、6.3微米，对应的共振波长分别为13.0、13.5、13.8、14.1、14.4、14.8、15.2微米。等离激元微腔耦合结构共振波长处的探测器光电流响应率分别是45度磨角器件的5.3倍、7.7倍、8.5倍、8.6倍、8.8倍、11.4倍和12.3倍。该结果充分说明本发明所提出的等离激元微腔光耦合结构能够实现对量子阱响应率的波段选择性增强。

图4是本发明实施例一中不同上层金属线宽s的等离激元微腔光耦合的QWIP器件的归一化响应率谱，可以看到，能够实现同一芯片的不同像元之间的共振波长在13.0-15.2微米范围内的调谐，调谐能力超过14％。如果在高光谱成像焦平面探测器的应用中将这种共振波段的调谐与高光谱分光波段相对应，能够提高相应分光波段的探测器响应率，实现在确保高光谱分辨率下的高灵敏度光谱成像探测。

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 (4)

1.一种适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面，其结构为：以入射光经过先后为序依次是金属阵列层(1)，QWIP焦平面像元(2)，下层金属反射层(3)，焦平面倒焊互联铟柱层(4)，其特征在于：

所述的金属阵列层(1)中，其阵列单元包含金属方块或金属条，在金属方块的情况下，为周期为p、线宽为s、厚度为h1的二维周期排列的金属方块阵列；在金属条的情况下，为周期为p、线宽为s、厚度为h1的一维周期排列的金属条阵列；所述周期p的数值不大于焦平面像元中心距14-30微米，所述线宽s的范围为探测波长的十分之一到十分之十之间，所述厚度h1应不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0048倍；该层材质包括但不限于高导电性的金或者银。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面，其特征在于：所述的QWIP焦平面像元(2)中，像元所含功能层自上到下依次为n型掺杂AlGaAs阻挡层、n型掺杂上电极层、GaAs/AlGaAs量子阱激活层、n型掺杂下电极层，其像元厚度h2的数值应不大于在介质层中的探测波长的三分之一。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面，其特征在于：所述下层金属反射层(3)的厚度h3不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0048倍，其宽度L应尽量覆盖像元台面从而尽可能多的与金属方块形成等离激元微腔，该层材质包括但不限于高导电性的金或者银。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面，其特征在于：焦平面芯片上的每个像元或者每行/列像元上的金属阵列层(1)具有不同线宽s，其尺寸对应的共振波段包含高光谱分光的中心波长，不同的线宽s可以顺序排列，也可以随机分布。