CN110931577A - 纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构。其关键在于陷光结构与等离子激元结合,先通过对碲镉汞样品进行微纳加工使表面形成周期性柱状结构,然后在微结构表面沉积金薄膜。由于棱柱的侧面存在梯度,造成沉积后棱柱斜面处的金薄膜横向和纵向厚度不同(横向厚度远小于纵向厚度)。周期性排列的人工微结构在时变电场下,棱柱表面的金薄层产生的等离子激元与邻近棱柱的等离子激元发生共振,产生一种横向传播的模式。本专利中设计的表面微结构比传统陷光结构的表面微结构具有更小的几何尺寸,能进一步减小由材料体积所导致的本征暗电流,同时保持高量子效率,提高器件性能。

Description

纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构
技术领域
本发明涉及了纵向渐变的等离子激元增强吸收的人工微结构,利用比尔定律计算出金的趋肤深度,通过控制棱柱侧面倾斜角和沉积的金薄膜厚度使斜坡处的金薄膜层横向厚度远小于金的趋肤深度,纵向厚度大于金的趋肤深度,从而导致入射光沿水平方向传播,实现小尺寸、低暗电流、高量子效率的微结构。
背景技术
自然界中的物体无时无刻不在向外辐射红外光,红外成像在军事和商业上都有重要的应用,如夜视侦查、高分辨热成像、气象观测和生物光谱学等。如何制备高性能的红外探测器,在未来的发展中有着重要的战略意义。目前,在红外领域较为主流的材料有碲镉汞、铟镓砷、量子阱等。其中碲镉汞作为一种可调带隙的半导体材料,能响应近红外到长波红外,且碲镉汞红外探测器具有响应速度快,量子效率高,功耗低、可对光电流直接耦合,且能在液氮温度以上工作等优势。因此基于HgCdTe材料的红外光电探测器一直是红外领域研究的重点。然而长波碲镉汞红外探测器的窄带隙导致暗电流较大。为了抑制暗电流提高碲镉汞红外探测器的性能,传统“电学”方法主要通过提高材料少子寿命、制备nBn阻挡暗电流、提高材料质量、减少区结的陷阱浓度等来减小暗电流。
通过“光学”调控提升器件性能是目前较为热门的研究领域,利用亚波长人工微结构操控光的传播,能够为探测器带来优异的光响应,为后续碲镉汞红外探测器的改进或优化提供一个新的方向。引入人工微结构可以在维持器件量子效率不变的前提下显著降低暗电流带来的探测噪声,从而提高器件性能。上述的理论研究能够为碲镉汞等红外探测器的性能优化提供新的思路。人工微结构主要有陷光结构、等离子激元。陷光结构原理为:对样品的表面刻蚀形成周期的性的柱状或孔状结构。其操控光传播原理与光子晶体操控光传播的原理相似。光子晶体中由于周期性排列产生光子禁带,阻止某一方向的光传播。同样,陷光结构借助其介电常数在水平方向周期性的变化,使得照射到器件表面的入射光发生衍射改变光的传播方向,使其往水平方向传播增大光与物质接触的距离提高光吸收。相比于传统的探测器,陷光结构减少了探测器光敏元的体积,且能够维持吸收率不变,减少了由体积所决定的本征暗电流,提高了器件的性能。特别的是陷光结构可以与焦平面阵列很好的兼容,使得陷光结构在红外焦平面阵列领域有着很好的应用前景。目前,美国的Raytheon公司已经研制出了具有不同尺寸陷光结构中波(5μm)碲镉汞探测器。
等离子激元的形成主要在材料表面制备周期性的金阵列,把入射光耦合到金和材料的界面处传播,其耦合模式的电场分布在垂直方向上具有很强的局域效应,使得电场主要集中在界面处,从而提高低维材料吸收。然而等离子激元的共振峰半高宽很窄,只能增强特定的波长而牺牲其他的波段。本专利中设计的纵向渐变等离子激元增强红外探测器宽谱吸收的微纳结构,结合了陷光结构和等离子激元的特性,可使得器件的几何尺寸相较于探测波长小于一个数量级,减小本征暗电流带来的影响。
发明内容
本发明提出了纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构,实现了面向长波红外探测。
上述原理主要是在周期性的人工微结构表面沉积一层金薄膜,利用金属趋肤深度理论演算出Au在长波红外范围的趋肤深度(~20nm),控制沉积的金薄膜的厚度,基于此设计棱柱侧面金薄层的横向厚度远小于趋肤深度,纵向厚度大于趋肤深度,使电磁场沿水平方向传播,从而使相邻的微结构之间的金产生等离子激元共振,最终生成一种横向传播的模式。
本发明设计了纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构,其特征在于,结构依下而上分别为:
-n型镉汞层1、
-公用电极2、
-p型碲镉汞层3、
-均匀的金薄膜层4、
-顶部可充当电极的金薄膜层5,
其中n型碲镉汞厚度为400nm;
其中公用电极为Cr和Au电极;
其中p型碲镉汞的厚度为1100nm,梯形的几何尺寸底部的半宽度为200nm;
其中侧面的金薄膜层的水平厚度控制为2nm,垂直方向的厚度由棱柱的倾斜角决定,文中选取了倾斜角正切值为10、15、20的数值。
本发明设计了一种纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构,整体的设计的思路如下:
1.周期性的陷光结构可以被看成是类光子晶体结构。在光子晶体中存在着光子禁带,由于光子晶体中的折射率周期性变化会对入射光子产生布拉格散射,从而像衍射光栅一样改变入射光垂直方向的传播,能限制入射光的传播方向具有局域光场的效果。光子晶体中晶元尺寸需要与入射光波长相仿才能有上述的结果。同样的对于陷光结构,表面存在的周期性的人工微结构也能够限制光的传播。通过优化微结构的几何参数,能够获得所想要的探测波长范围使其吸收率维持在一个较高的水平。相比非微结构镉汞器件,由于移除了部分体积,导致由体积影响的本征暗电流减小但量子效率不变,器件的性能得到提升。
2.传统陷光设计的几何尺寸与需要入射光的波长在同一个数量级,对于中长波的碲镉汞器件所需要的微结构几何参数相比短波的探测器更大,例如:周期、微结构高度。因此对于长波的碲镉汞陷光结构器件做成焦平面阵列时,其单个相元的尺寸并不能太小。等离子激元的原理为入射光与金属表面的自由电子耦合,在金属和介质层的表面形成自由传播的电子倏逝波,将光局域在材料的界面处从而达到增强光吸收的目的。目前较为普遍的等离子激元结构主要是在表面设计周期性的金阵列,然后吸收层底部沉积金薄膜在垂直方向形成谐振器结构,让表面阵列产生的等离子增强吸收的波长与谐振器结构的共振波长耦合,使得器件获得高量子效率。但是等离子激元存在的牺牲探测器的半高宽,牺牲另外范围的探测波长。
3.基于上述中存在的几个问题,我们结合陷光结构和等离子激元共振,在周期性的柱状结构表面沉积一层金薄膜,由于在水平方向存在周期性结构使棱柱的侧面形成纵向形成梯度渐变的等离子激元共振又结合陷光结构的陷光效应,最终器件具有高吸收率和较好的半高宽。
本专利设计的微纳结构,通过在周期性微结构表面沉积金薄膜,形成了具有等离子激元共振的陷光结构,在兼具传统陷光结构耦合大规模焦平面阵列的优点,进一步缩小传统陷光结构的几何尺寸以降低暗电流。
本专利的优点在于:
相比较传统的陷光结构器件,具有更小的物理尺寸且器件的吸收率能保持较高的水平,能进一步减小器件暗电流,可使得长波碲镉汞器件有能力在高温下工作。而相比于等离子激元结构有较大的吸收半高宽。
附图说明
图1为基设计的器件示意图。
图中:1为n型碲镉汞层、2为公用电极、3为p型碲镉汞吸收层、4为沉积后的金薄膜层、5为顶部充当电极的金薄膜层。
图2为单个周期的的陷光结构。
图中:6单个单元周期T、7棱柱的倾斜角θ、8侧面金薄膜层水平厚度dl、9侧面的金薄膜垂直厚度dh、其中dl与dh的关系满足dh/dl=tanθ。
图3为陷光结构在8微米到11微米之间的吸收谱和吸收峰处的坡印廷矢量分布。图1)为传统陷光结构与增加了金薄膜层陷光结构的吸收率之比,对比传统的陷光结构,在相同的几何参数下,沉积金薄膜的陷光结构可局域更长的波长,图2)为对应吸收峰处的对应波长的坡印廷矢量,从图中可看到能流往水平方向传播。
图4为考虑改变任一几何参数的吸收谱变化。图1)为变化棱柱的高度H时吸收谱的变化,其余物理量h=0.6微米、R=0.2微米、tanθ=20、dl=2纳米,图2)为变化棱柱底部半宽R时吸收谱的变化,其余余物理量h=0.6微米、H=1.2微米、tanθ=15、dl=2纳米,图3)为变化棱柱的倾斜角θ时吸收谱的变化,其余物理量h=0.6微米、H=1.2微米、R=0.15微米、dl=2纳米。
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:
1.理论建立
金属材料在红外领域由于其高介电常数,红外光只能渗透到金属材料的表面。描述入射光在介质内传播的衰减方程主要是朗伯比尔定律:I=I0e-αz(其中I0为入射光的初始强度,α为材料的吸收系数,I为入射光在材料内传播距离为Z时的光场强度),当I/I0之比为1/e2时,所传播的距离
Figure BDA0002267624090000061
定义为金属材料的趋肤深度。材料的吸收系数α与其折射率的虚部κ有关,具体的关系式为:
Figure BDA0002267624090000062
。金属材料由于其表面存在很多自由移动的电子,在描述贵金属(金、银等)在红外领域的介电常数方程,可以用简单的自由电子气模型来解释,即Drude模型
Figure BDA0002267624090000063
那么根据公式和一些已知的物理量最终计算的结果为:Au在中红外到长波红外范围内的趋附深度大约为20nm,但金属厚度减小到纳米尺度时,会有着奇特的光学现象。
2.结构设计
我们将陷光结构和等离子激元结合,形成了纵向渐变等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构,由于仿真计算中采用Hg1-xCdxTe的组分为x=0.22和在77K下的介电常数,其截止波长为10.53μm,响应峰值在9.06μm,所设计的结构几何参数让其传播模式对应的波长尽可能在其响应峰值波长附近。如附图2所示周期T固定为1μm,梯形结构的几何尺寸:高度(H)大约为1.2μm、底部的宽度(R)为0.2μm,底层的厚度h1和h2为别为0.2μm和0.4μm,侧面金属层水平方向的厚度dl控制在2纳米,对应图3中的1)中可以看到在8μm-11μm范围内吸收率都大于0.6,比无金薄膜层陷光结构吸收率大了5倍多。
然后我们考虑了改变陷光结构的几何参数,分别考虑了棱柱倾斜角的正切值(tan值)为20、15、10不同情况下、棱柱厚度H为1.0μm、1.1μm、1.2μm的情况、棱柱底部半宽R为0.1μm、0.15μm、0.2μm的情况(其它参数维持不变),观察吸收峰的变换。对比图4中吸收谱变化结果,吸收谱在8μm-11μm范围基本能维持在0.6以上,而且在图4的3)小图中tanθ=10时,整体吸收率率能够大于0.8。
结果说明本专设计纵向渐变等离子激元增强宽红外宽谱吸收的人工微结构相比传统陷光结构具有更小的几何尺寸且有较宽的吸收谱。

Claims (1)

1.一种纵向渐变的等离子激元增强红外探测器宽谱吸收的人工微结构,其特征在于:
所述的结构自下而上依次为:n型HgCdTe(1)、公共电极(2)、p型HgCdTe微结构吸收层(3)、在表面沉积后形成均匀的金薄膜层(4)、顶部有充当电极的金薄层(5);
所述的n型HgCdTe(1)为轻掺杂HgCdTe层;
所述的公共电极(2)为Au电极,总厚度为40纳米;
所述的p型HgCdTe吸收层(3)为轻掺杂HgCdTe;
所述的金薄膜层(4)为在微结构表面沉积形成的产生横向传播模式的一层金薄膜层;
所述的顶部金薄层(5)可充当金属电极。
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