CN107665930B - 一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法。其特征在于，器件结构自下而上依次为下电极、量子阱的激活层、中间介质层、金属反射层。优化方法是通过数值模拟和理论计算发现在介质超材料结构和金属反射镜之间加上一层介质层，可以在有效的增强入射光和量子阱相互作用的同时也能有效的降低金属的吸收，进而改善量子阱红外探测器的性能，另外通过结构的优化，可以实现本征探测波长在10微米的电磁波，在20微米甚至更远的波长也有很高的吸收，进而为实现红外探测器的波长拓展提供了新的依据。本发明对于改善器件的性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及量子阱红外探测器，具体是指一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法。
背景技术
由于红外探测技术的重要意义和技术难度，人们不断的尝试用新的物理效应去探索对于红外探测器性能的提升，如石墨烯红外探测器，量子点红外探测器等。在红外探测器的性能上截止波长是探测器的核心指标之一，它决定了探测器可探测的光谱范围，为此，对于红外探测器而言，延长截止波长一直是被关注的焦点之一。探测器件的功能就是将光子信号转变成电子信号，所以涉及到的信息载体是光子和电子，用电子态调控方法实现延长截止波长的工作已经有了很长的历史，而且几乎是截止波长延长的唯一途径，在光电转换中具有同样重要角色的光子始终没有能够在截止波长延长上体现出功能。但是从基本物理原理上说，电子态之间跃迁能量对应的波长比截止波长更长时，这样的跃迁的hi存在的，然而这类跃迁的吸收系数非常小，所以把光子信号转换成电信号的几率就很小，解决这个问题的一种基本方法就是把这些很小吸收系数波段的光子与电子的耦合效率进行成倍的提升。
从电子态调控的角度，人们从传统的单一光电跃迁过程发展到了二级级联的光电跃迁过程，利用量子阱子带跃迁过程的调控，使得量子阱红外探测器的截止波长从中红外延长到太赫兹波段，为了确保在太赫兹波段下探测器的暗电流得到必要的抑制，其工作温度必须降低到与太赫兹波段电子态跃迁对应的5K低温。因为电子态的跃迁能量决定的截止波长与暗电流的关系是由基本热离化机理所决定的，因此，在电子态调控下就意味着截止波长的微小延伸会导致暗电流的很大增加。
但是从光子态的角度来说，存在光子调控形成截止波长拓展的可能性，而且在这样的延长截止波长的途径中，截止波长的延长不导致暗电流的增加。通过光子态调控增强光电吸收的工作已经有了系统的研究，但是有很少的工作将光子态的调控应用在波长的拓展工作上。
因此本发明从超材料结构的设计着手进行研究，对入射的光子态进行调控，从而实现量子阱红外探测器波长拓展的性能，得出的结果将会对新型长波器件的研制具有一定的指导意义。
发明内容
本发明提供了一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法，得出的结果对新型长波器件的研制具有一定的指导意义。
上述发明将超材料结构的设计引入到量子阱红外探测器结构中，利用超材料对入射的光子态进行调控，从而实现量子阱红外探测器探测波长的拓展。具体是指通过数值模拟得到利用结构的优化实现拓展波长探测的极限，通过计算得到的结果，结合严格耦合波理论就可以得到每个结构的辐射Q，吸收Q，得到各个单元的吸收Q值，从而得到量子阱红外探测器的探测极限。所说的优化超材料结构是指在介质超材料和金属反射镜之间加上一层氮化硅材料，这样既可以实现强的耦合，也可以避免了金属本身的吸收，使得量子阱能够探测到更长的波段。
本发明指利用超材料结构实现量子阱红外探测器的波长拓展的方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为；
下电极1、量子阱激活层2、光栅层3、中间介质层4、上电极5。
其中下电极1为砷化镓材料，厚度为500-800纳米，掺杂浓度均为2╳1018cm-3；
其中量子阱激活层2是20层的砷化镓和铝镓砷复合结构，单层砷化镓的厚度是4.5-5纳米，铝镓砷的厚度是45-50纳米，掺杂浓度均为2╳1018cm-3；
其中光栅层3是低掺杂的砷化镓材料，光栅的周期是5.3-10微米，占空比是0.5微米，材料的折射率为3.1；
其中中间介质层4是氮化硅材料，厚度是2-3微米，折射率为1.9；
其中上电极5是金材料，厚度为100-200纳米。
所述的光栅层3的光栅参数设计包括以下步骤：
1)首先利用FDTD solution模拟软件构建量子阱红外探测器二维的模型。
2)构建物理模型：电磁波的数值模拟的基本方程是麦克斯韦方程组。光响应可由各个材料的介电函数，磁导率模型加入方程，包括各向同性和各项异性的材料，利用有限时域差分法对电磁波的本征方程进行求解；
3)模拟中将低掺杂的砷化镓设计成光栅结构，光栅周期为变量，保证光栅的占空比是0.5，外加入射光照射到器件上，改变光栅的周期，由数值模拟得到量子阱激活层的吸收随光栅周期的变化曲线；
4)根据严格耦合波理论，计算在不同周期条件下量子阱红外探测器的辐射Q值，吸收Q值，定义利用结构实现波长拓展的极限边界参数；
在沿着量子阱的生长方向上添加介质光栅结构用来耦合外界入射的电磁波，在介质光栅和金属反射镜之间加上一层介质，既可以耦合外来的电磁波，又可以避免上层金属反射镜的吸收。通过这种方法，可以实现电磁波在量子阱中的强耦合，为量子阱红外探测器的波长拓展提供了可能。
本发明的优点是：首先通过数值模拟和理论计算得出了在设计目标波长15微米的最佳结构参数，进而通过改变光栅的周期(保证光栅的占空比不变)来实现探测波长的拓展。金属反射镜位于超材料结构的背面，兼容焦平面阵列的设计，具有很高的集成度和可靠性。利用超材料的调控实现探测波长的拓展，既可以实现长波的探测，又可以降低长波探测所需极低温度(在太赫兹波段探测所需要的温度约为5K)的要求。
附图说明
图1为实现波长拓展的超材料优化结构示意图。
其中1下电极、2量子阱激活层、3介质光栅、4中间介质层、5上电极
图2为周期为6.0微米对应共振位置的光场分布图；
图3为模拟的不同光栅周期的反射谱。
图4为模拟的不同周期的量子阱的吸收谱。
图5为计算的不同周期的探测器的总的吸收Q、金属的吸收Q值和量子阱的吸收Q。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明利用超材料结构实现量子阱红外探测器的探测波长拓展。通过超材料结构耦合外界的电磁波，并在耦合电磁波的光栅和金属之间加上一层中间介质层，既可以耦合外来的电磁波，又可以避免上层金属反射镜的吸收。通过这种方法，可以实现电磁波在量子阱中的强耦合，为量子阱红外探测器的波长拓展提供了可能。
具体步骤如下：
1.首先利用FDTD solution模拟软件构建量子阱红外探测器二维的模型；见图1，包括下电极1、激活层2、光栅3、中间介质层4和上电极5，其特征在于：
所述探测器结构自下而上依次为：下电极1、激活层2、光栅3、中间介质层4和上电极5，其中：
所述下电极1为砷化镓材料，厚度为500纳米，掺杂浓度均为2╳1018cm-3；
所述激活层2是20层的砷化镓和铝镓砷复合结构，单层砷化镓的厚度是4.5-5纳米，铝镓砷的厚度是45-50纳米，掺杂浓度均为2╳1018cm-3；
所述光栅层3是低掺杂的砷化镓材料，光栅的周期是5.3-10微米，占空比是0.5微米，材料的折射率为3.1；
所述中间介质层4是氮化硅材料，厚度是2-3微米，折射率为1.9；
所述上电极5是金材料，厚度为100-200纳米。
2.构建物理模型：电磁波的数值模拟的基本方程是麦克斯韦方程组。光响应可由各个材料的介电函数，磁导率模型加入方程，包括各向同性和各项异性的材料，利用有限时域差分法对电磁波的本征方程进行求解；
3.模拟中将低掺杂的砷化镓设计成光栅结构，光栅周期为变量，保证光栅的占空比是0.5，外加入射光照射到器件上，改变光栅的周期，由数值模拟得到量子阱激活层的吸收随光栅周期的变化曲线；
4.根据严格耦合波理论，计算在不同周期条件下量子阱红外探测器的辐射Q值，吸收Q值，定义利用结构实现波长拓展的极限边界参数；
a).光栅周期为5.3微米，光栅占空比0.5，光栅高度为2微米，量子阱下电极500纳米，量子阱激活层1035纳米，中间介质层厚度2微米，金属反射镜层100纳米，共振波长为13微米，探测器的吸收Q值为145，量子阱的Q值为148，金属反射镜的Q值为7302.
b).光栅周期为8.2微米，光栅占空比0.5，光栅占空比0.5，光栅高度为2微米，量子阱下电极500纳米，量子阱激活层1035纳米，中间介质层厚度2微米，金属反射镜层100纳米，共振波长为18微米，探测器的吸收Q值为174，量子阱的Q值为341，金属反射镜的Q值为356.
c).光栅周期为10微米，光栅占空比0.5，光栅占空比0.5，光栅高度为2微米，量子阱下电极500纳米，量子阱激活层1035纳米，中间介质层厚度2微米，金属反射镜层100纳米，共振波长为20微米，探测器的吸收Q值为381，量子阱的Q值为1527，金属反射镜的Q值为508.
在量子阱的生长方向上引入介质光栅结构，利用超材料耦合外界入射的电磁波，在介质光栅的上层加入金属反射镜，阻止了入射电磁波的透射，在介质光栅和金属反射镜中间加上一定厚度的中间介质层。器件一方面可以将耦合进入系统的电磁波远离金属结构，从而提高系统的Q值，为实现波长拓展提供了可能。另一方面，由于金属结构远离电磁波局域的区域，减小了金属的吸收，提高了量子阱本身的吸收，提高了光响应，降低了探测器的暗电流。此外，此种方法还可以给出利用此结构实现波长拓展的极限，具体的说，当超材料耦合电磁波的共振位置远离量子阱的工作波长时，整个系统的吸收Q增大，量子阱的吸收Q增大，共振波长增大，因此局域电磁波的穿透深度增大，从而导致金属对于入射的电磁波吸收增大，金属的吸收Q降低，当波长拓展到一定程度时，整个系统的吸收Q值由金属的吸收Q决定，而非量子阱的吸收Q主导时，此系统的结构参数已不能有效的增强量子阱红外探测器的性能和实现波长拓展功能，因此定义此位置为利用超材料实现量子阱红外探测器波长拓展的极限值参数。
结果说明本发明利用超材料结构实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法该结构器件，可有效的实现量子阱红外探测器的波长拓展，并且该方法也给出了利用该方法实现波长拓展的极限。
Claims (2)
1.一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器，包括下电极(1)、激活层(2)、光栅(3)、中间介质层(4)和上电极(5)，其特征在于：
所述的量子阱红外探测器结构自下而上依次为：下电极(1)、激活层(2)、光栅(3)、中间介质层(4)和上电极(5)，其中：
所述的下电极(1)的材料为砷化镓，掺杂浓度为2╳1018cm-3，厚度为500-800纳米；
所述的激活层(2)是20层的砷化镓和铝镓砷复合结构，每层复合结构中，砷化镓的厚度是4.5-5纳米，铝镓砷的厚度是45-50纳米，掺杂浓度为2╳1018cm-3；
所述的光栅(3)的材料是低掺杂的砷化镓，光栅的周期是5.3-10微米，占空比是0.5，材料的折射率为3.1；
所述的中间介质层(4)的材料是氮化硅，厚度是2-3微米，折射率为1.9；
所述的上电极(5)是金电极，厚度为100-200纳米。
2.根据权利要求1所述的一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器，其特征在于：所述的光栅(3)的光栅参数设计方法步骤如下：
1)利用模拟软件FDTD solutions构建所述探测器的器件模型；
2)构建物理模型：电磁波的数值模拟的基本方程是麦克斯韦方程组，光响应可由各个材料的介电函数，磁导率模型加入方程，包括各向同性和各项异性的材料，利用有限时域差分法对电磁波的本征方程进行求解；
3)模拟中将低掺杂的砷化镓设计成光栅结构，光栅周期为变量，保证光栅的占空比是0.5，外加入射光照射到器件上，改变光栅的周期，由数值模拟得到量子阱激活层的吸收随光栅周期的变化曲线；
4)根据严格耦合波理论，计算在不同周期条件下量子阱红外探测器的辐射Q值，吸收Q值，从而得到各个单元的吸收Q值，定义利用结构实现波长拓展的极限边界参数。
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