一种可单模双模工作的量子阱阵列探测器

本发明属于半导体光电器件领域，特别涉及一种可单模双模工作的量子阱阵列探测器。

背景技术：

1、太赫兹(terahertz，thz)波通常是指频率从100ghz到10thz，相应波长在3mm到30μm范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。thz波在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，其长波端与亚毫米波相重合，而短波端与远红外波段相重合，thz波技术在信息通信技术领域、生物医学、太空探测以及全球性环境检测领域都具有非常广泛的应用潜力。

2、基于子带间跃迁的太赫兹量子阱探测器(thz quantum-well photodetectors，thz qwps)是红外量子阱探测器(quantum well infrared photodetector,qwip)在thz波段的自然扩展,其利用半导体量子阱超晶格(一般是n型掺杂的gaas/algaas)中的子带间跃迁吸收来产生光电流.，具备很高的探测灵敏度和快速响应能力，并且具有线性响应范围宽、设计简便、材料生长和器件制备工艺成熟、可制备大规模成像阵列等优点，是空间外差探测、高速通信和大规模焦平面成像的理想器件。如图1所示，现有技术中常用的thz qwps结构包括：gaas衬底1、由下至上依次设置在gaas衬底1上表面的下接触层8、有源区4和上接触层7、设置在gaas衬底1上表面并位于下接触层8两侧的下电极11以及设置在上接触层7上表面的上电极12，其中，有源区4由gaas/alxga1-xas多量子阱周期结构构成，位于量子阱中的束缚电子吸收thz光子后跃迁到连续态，在外加偏压下形成光电流，通过测量和分析光电流的变化从而完成对thz波的探测。thz qwp的工作频率可以通过改变势垒高度、势阱宽度以及掺杂浓度来进行调节。通过对势垒势阱的特殊设计，能够实现了电压可调的宽带thzqwp。2018年，h.x.wang等人通过设计阶跃量子阱结构在4.0-6.5thz频带范围实现电压调谐宽带qwp。2022年，m.almassri等在2.5-4.1thz范围实现了电压调谐宽带qwp。

3、由此可见，较低的光子吸收效率是制约thz qwps性能的关键因素，而光耦合方式的改善是获取thz qwps更好性能的一种方法。目前，thz qwps常用的两种耦合方式为：45°斜面抛光衬底耦合及金属散射光栅耦合，其中，45°斜面抛光衬底耦合机制不能实现光的正入射(如图1所示，gaas衬底1需要进行45°斜面抛光，入射光需要从该45°斜面入射)，也不利于器件集成，光栅耦合虽然可以实现光的正入射耦合，但在器件性能上没有太大的提升。而d.palaferri等人于2015年发表了关于基于贴片天线阵列的微腔thz qwp，将qwp的研究推进至阵列层次，该研究能对单个频点的thz进行探测，不能实现多个频点的探测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种可单模双模工作的量子阱阵列探测器，克服了目前的阵列型量子级联探测器虽然实现了阵列化探测，但只能在单模状态下工作的问题。

2、本发明提供了自上而下包括上电极层、gaas有源区和下电极层；所述gaas有源区分布有数个微腔阵列单元；所述微腔阵列单元的顶层为上金属电极5，每一排所述上金属电极5两两之间通过二级阶梯型微腔连接线连接，形成上电极层；所述上金属电极(5)具有若干条可调整角度的缺陷。

3、所述上金属电极5的缺陷包括可调整旋转角度的矩形缺陷和/或可调整张开角度的对号形缺陷。

4、所述微腔阵列由下至上依次包括衬底、下金属电极板、外延层和上金属电极。

5、所述外延层由上至下依次包括上接触层、有源区和下接触层，且外延层的几何尺寸与上金属电极的几何尺寸相同。

6、所述有源区包括gaas和algaas交替生长的半导体超晶格结构。

7、所述下金属电极板和上金属电极由能够与半导体形成欧姆接触的金属制成。

8、所述下金属电极板的表面还设有钝化层；所述钝化层填充在外延层周围，厚度与外延层的厚度相同。

9、所述钝化层的材料为苯并环丁烯bcb、聚酰亚胺、sio2或si3n4。

10、所述衬底的背面还设置有背金层。

11、所述下电极层为金属板。

12、有益效果

13、本发明利用耦合机制的调控，可实现量子阱阵列探测器单模、双模两种探测模式。目前，市面上阵列型量子阱探测器只能实现单频探测，而本发明在通过对上电极和连接线的重新设计之后，在其他参数均不变的情况下，即器件的背景噪声、暗电流不变的情况下实现了器件的双频点探测，具有更好的市场应用前景。

技术特征：

1.一种可单模双模工作的量子阱阵列探测器，自上而下包括上电极层、gaas有源区和下电极层；其特征在于：所述gaas有源区分布有数个微腔阵列单元；所述微腔阵列单元的顶层为上金属电极(5)，每一排所述上金属电极(5)两两之间通过二级阶梯型微腔连接线连接，形成上电极层；所述上金属电极(5)具有若干条可调整角度的缺陷。

2.根据权利要求1所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述上金属电极(5)的缺陷包括可调整旋转角度的矩形缺陷和/或可调整张开角度的对号形缺陷。

3.根据权利要求1所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述微腔阵列单元由下至上依次包括衬底(1)、下金属电极板(2)、外延层(10)和上金属电极(5)。

4.根据权利要求3所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述外延层(10)由上至下依次包括上接触层(7)、有源区(4)和下接触层(8)，且外延层(10)的几何尺寸与上金属电极(5)的几何尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述有源区(4)包括gaas和algaas交替生长的半导体超晶格结构。

6.根据权利要求3所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述下金属电极板(2)和上金属电极(5)由能够与半导体形成欧姆接触的金属制成。

7.根据权利要求3所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述下金属电极板(2)的表面还设有钝化层(3)；所述钝化层(3)填充在外延层(10)周围，厚度与外延层(10)的厚度相同。

8.根据权利要求7所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述钝化层(3)的材料为苯并环丁烯bcb、聚酰亚胺、sio2或si3n4。

9.根据权利要求3所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述衬底(1)的背面还设置有背金层(9)。

10.根据权利要求1所述的量子阱阵列探测器，其特征在于：所述下电极层为金属板。

技术总结
本发明涉及一种可单模双模工作的量子阱阵列探测器，自上而下包括上电极层、GaAs有源区和下电极层；所述GaAs有源区分布有数个微腔阵列单元；所述微腔阵列单元的顶层为上金属电极(5)，每一排所述上金属电极(5)两两之间通过二级阶梯型微带线连接，形成上电极层；所述上金属电极(5)具有若干条可调整角度的缺陷。本发明利用耦合机制的调控，可实现量子阱阵列探测器单模、双模两种探测模式，具有更好的市场应用前景。

技术研发人员：王长,郑永辉,张真真,曹俊诚
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13