振角度（0° -45° )变化的 分布。
【具体实施方式】
[0025] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0026] 如图1所示，本实施例为由金属（金）_半导体-金属三明治微结构的光学耦合 腔。上层金属为周期性的金方块阵列1边长定义为a，下层为带有周期性金方块阵列的金 板5,下层金方块的边长和厚度定义为b和t。上层金方块阵列和下层金阵列具有相同的周 期（P)和对称性。多层量子阱置于金属层中间，且量子阱层3上下分别设置一定厚度的上 接触层2和下接触层4。
[0027] 阵列的周期p设为6. 9μm，砷化镓多重量子讲层厚度为400nm，上下砷化镓半导体 (GaAs)接触层的厚度分别为200nm和300nm，上层金方块边长为1. 6μπι，下层金方块边长为 3. 5μm〇
[0028]由图2可以看出在本实施例中，在吸收光谱上有两种吸收峰，一个为共振波长保 持在14. 5μm的杂化SSPs模式，另一个是共振波长随上层金方块边长a变化的微腔模式， 此处模式阶数为m= 1，η= 0或者m= 0,η= 1。当通过改变上层金方块的边长a，使得微 腔模式和杂化SSPs模式的共振波长处于同一波长位置，由此形成了一个吸收更强的耦合 模式，此共振模式在14. 5μm出具有一个92%的吸收峰，相比于微腔模式和杂化SSPs模式， 吸收效率更强。
[0029] 图3为杂化SSPs模式，微腔模式以及耦合模式的电场|EZ|在y-z平面的分布图。 其中杂化SSPs模式和微腔模式对应于图2中上层金方块边长设置为a= 2. 4μm时吸收谱 线中，14. 5μm和19. 2um的两个吸收峰，耦合模式对应于图2中上层金方块边长设置为a= 1. 6μm时吸收谱线中14. 5μm的吸收峰。
[0030] 上述计算中给出的吸收共来源于两部分，一部分是被量子阱区域吸收的对产生光 电流有益的部分，另一部分是被上下两层金吸收损耗了的部分。图4给出了本实施例中被 量子阱区域和金吸收的分布，可以看出大部分的能量是被量子阱区域吸收，少部分能量是 被金损耗了的。
[0031] 为了表征电场z方向分量相比于入射场增强大小在量子阱区域不同位置的分布，
此处s为距离上层金-半导体界面的距离，E。为入射红外辐射 的电场强度，民为在量子阱区域感应电场强度z方向分量的大小。图5给出了函数F随s变化的曲线，由此可以看出，在整个半导体区域，电场民相比于入射电场E。都有很大的增强 效果，在量子阱层，函数F为6保持左右。
[0032] 由于在量子阱中产生光电流的大小和整个量子阱区域平均|民|2的大小成正比， 因此可以定义耦合效率
来表征此金属微结构体系对量子阱探测的增强效 果，此处积分区域为整个量子阱区域。在图6中给出了p偏振和s偏振情况下，不同入 射角耦合效率η随入射波长变化的二维图。由此可以看出，在正入射红外辐射照射下， 在14. 5μπι处耦合效率有一个峰值为6左右。在最近（2015年3月）的一项研究工作中 (S.Wang,ff.Tian,F.ffu,J.Zhang,J.Dai,Z.ffu,Y.Fang,Y.Tian,andC.Q.Chen,"Efficient opticalcouplinginAlGaN/GaNquantumwellinfraredphotodetectorvia quasi-one-dimensionalgoldgrating, "Opt.Express(2015) 23 (7) ,8740-8748)，设计了 一维金属光栅结构，通过耦合局域表面等离激元和表面等离子极化激元来提高量子阱吸收 效率，但是其耦合效率仅为0. 85,本发明通过耦合杂化SPPs模式和微腔模式，耦合效率有 了很大的提高。同时随着入射角度的变化，P偏振和s偏振情况下本发明的耦合效率在< 40°的范围内都保持很高的增强效果。
[0033]图7给出了在正入射红外辐射照射下耦合效率随偏振角度以及入射波长变化的 二维图。由此可以看出，此金属微结构体系对正入射红外辐射没有偏振敏感性。
【主权项】
1. 一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， 其特征在于，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。2. 根据权利要求1所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，其特征在于，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。3. 根据权利要求2所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，其特征在于，所述 缓冲层的材料为半导体。4. 根据权利要求1所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，其特征在于，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。5. 根据权利要求1至4之一所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，其特征在 于，所述上金属层的材料为金。6. 根据权利要求1至4之一所述的一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，其特征在 于，所述下金属层的材料为金。
【专利摘要】本发明公开了一种红外量子阱光电探测器的吸收结构，属于亚波长光子学中光学器件领域。该吸收结构用于耦合入射电磁波到量子阱活性区域，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。利用本发明这种金属微结构激发的微腔模式和杂化SSPs模式的耦合，能显著地提高量子阱活性区域对红外辐射的吸收，并且有效地增强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，从而克服了传统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，该吸收结构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。
【IPC分类】H01L31/101, H01L31/0352
【公开号】CN105355703
【申请号】CN201510801646
【发明人】王振林, 詹鹏, 刘垄, 陈聿
【申请人】南京大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月18日