一种红外量子阱光电探测器的吸收结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种红外量子阱光电探测器吸收结构的设计，属于亚波长光子学中光 学器件的领域。具体涉及一种金属-半导体-金属结构的光学吸收器结构，可以高效的局 域红外辐射，并且有效的增强电场Ez分量。
【背景技术】
[0002] 红外探测器是一种对于红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件，其中14-16 微米甚长波红外焦平面光电探测器是先进武器系统和国防现代化的关键技术。红外光电探 测器按照材料体系可分为：最早发展的碲镉汞（HgCdTe)体系，和从上个世纪八十年代发展 起来的量子阱红外探测器（QWIP)。众所周知，HgCdTe材料在甚长波的红外光电转换效率 将急剧降低，并且仍然存在着制备上的困难。与传统材料HgCdTe制备的红外探测器相比， 量子阱红外探测器可以形成大面积、低功耗、低成本、高均匀性和高灵敏度的焦平面列阵 (FPA)成像系统。在线性阵列和焦平面阵列应用中的快速发展，显示了QWIP技术在长波红 外大面积焦平面阵列和多色成像应用方面的巨大潜力。
[0003] 但是，对于普遍使用的η型砷化镓（GaAs)QWIP，由于量子吸收的选择定则，只能够 吸收量子阱区域垂直于量子阱平面的电场分量（Ez)。所以，为了提高器件的响应率和探测 率，必须对QWIP器件进行光学耦合处理，譬如45度磨角或者布鲁斯特角几何设计，这样可 以使部分电场垂直于量子阱平面。然而对于二维成像聚焦平面阵列，需要入射电磁波垂直 入射到量子阱平面。因此采用一维、二维周期光栅、无序光栅等结构改变入射光的传播方 向，使之可以被量子阱吸收。但是，更为高效的方法是可以利用共振吸收的思想，通过引入 光学共振结构，显著地提高在量子阱区域的局域电场强度，并针对性地提高电场分量（Ez)， 以提高量子阱的吸收效率。
[0004] 表面等离子体激元（SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)微结构体系和金属超构 材料体系，由于可以有效的耦合入射电磁波到亚波长空间并且能够产生很大的局域电场增 强，所以都是有效的光学耦合手段。例如，在长波红外波段，通过使传统的类似表面等离子 体基元（Spoofsurfaceplasmon，SSPs)和波导模式杂化的方式，产生杂化SSPs模式，可以 有效的耦合入射电场到波导模式并产生"完美"的远场吸收。另外，一种存在于金属-介质 (半导体）_金属体系中的微腔模式，通过耦合入射电场在介质（半导体）微腔中共振，可以 有效的提高光和物质的相互作用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服量子阱红外光电探测器对正入射的红外辐射不吸收的缺 陷，为探测器提供一种吸收结构，通过引入可调的微腔模式和杂化SSPs模式的耦合，能显 著地提高的量子阱区域对红外辐射的吸收。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，
[0007] -种红外量子阱光电探测器的吸收结构，用于耦合入射电磁波到量子阱活性区 域，所述吸收结构包括上金属层、中间半导体层和下金属层，其中，上金属层为周期性的金 属方块阵列，中间半导体层为量子阱层，下金属层为表面带有周期性金属方块阵列的金属 平板。
[0008] 进一步地，所述中间半导体层还包括缓冲层，量子阱层设置在缓冲层的中间。
[0009] 优选地，所述缓冲层的材料为半导体。
[0010] 所述上金属层的金属方块阵列和下金属层上的金属方块阵列具有相同的周期和 对称性。
[0011] 优选地，所述上金属层的材料为金。所述下金属层的材料为金。
[0012] 本发明的上述金属微结构体系支持两种光学模式。包括存在于上金属层和下层金 属板之间的微腔模式，以及下层金属周期结构支持的一种杂化SSPs模式。
[0013] 微腔模式的共振波长由以下公式决定
其中，rwf是模式有效 折射率，m，η是代表模式阶数的整数，a为上金属层中金属方块的边长。因此可以通过调节 上层金属方块的边长来方便地调节微腔模式的共振波长。杂化SSPs模式的共振波长主要 由周期等其他结构参数决定。通过结构参数的优化，可以把微腔模式和杂化SSPs模式的共 振波长调节到同一波长位置，产生一个耦合模式。该耦合模式可以显著地增加量子阱层对 光的吸收作用，并且增强量子阱区域的垂直于量子阱平面的电场分量的大小。
[0014] 综上所述，本发明通过引入金属微结构体系，可以激发SSPs模式和微腔模式，能 有效的实现光场的局域，提高量子阱的吸收效率。本发明具有以下优点：
[0015] (1)支持可以调节的微腔共振模式和杂化SSPs共振模式，并通过模式耦合的方 式，进一步提高量子阱的吸收效率发明有效克服了量子阱红外光电探测器对正入射的红外 辐射不吸收的缺陷。
[0016] (2)通过微腔模式和杂化SSPs模式的耦合使得电磁场被强局域在量子阱区域，显 著地提高了量子阱活性区域对红外辐射的吸收，并且有效地增强了对量子阱吸收至关重要 垂直于量子阱平面的电场分量（Ez)的大小。对甚远红外光电探测器探测效率的提高具有 很显著的作用。
[0017] (3)本发明吸收结构的耦合效率优于其他现有的微结构设计，且具有较大角度的 弱色散性以及对偏振的不敏感性。
【附图说明】
[0018] 图1 (a)和（b)分别为红外量子阱光电探测器吸收结构的剖面视图与和侧视图，其 中，1-上层金方块阵列，2-上接触层，3量子阱层，4-下接触层，5-带有周期性金方块阵列的 金板，6-GaAs衬底。
[0019] 图2为红外量子阱光电探测器吸收结构随上层金属方块边长改变的线性谱线。
[0020] 图3为（a)杂化SPPs模式、（b)微腔模式以及（c)親合模式电场z分量的绝对值 (|EZ|)在y-z平面的分布图。
[0021] 图4为电场在整个中间半导体区域的增强大小的分布，通过函数F表征。
[0022] 图5红外量子阱光电探测器吸收结构吸收能量在量子阱层（QWs)和金（Au)中的 分布。
[0023] 图6在斜入射的红外福射照射下，（a)偏振状态为s_偏振和（b)偏振状态为p-偏 振的两种情况下的耦合效率随入射角度（〇° -50° )变化的分布。
[0024] 图7为在正入射红外辐射照射下，耦合效率随不同偏