一种基于表面等离子体微腔的多色量子阱光子探测器件

技术领域

本发明属于光波探测器技术领域，具体涉及一种基于微腔结构的多色（多波长）半导体量子阱探测器件。 

背景技术

采用量子阱结构的器件进行光探测，是中远红外波段光探测的主要技术之一。然而，一方面，半导体量子阱结构的光波吸收受该领域广泛认知的“极化选择定律”的限制，即量子阱只能吸收具有与量子阱平面垂直的电场分量的光波，而对实际应用中绝大部分情况出现的垂直入射光波吸收极小，如参见文献1。因而在实际的器件必须结合倾角入射（如文献2）、光栅耦合（如文献9）或刻蚀槽结构（如文献10）。为克服这一问题，采用具有亚波长周期性金属孔阵列作为光波耦合结构，实现了量子阱结构对垂直入射的光波的有效吸收（文献7），这主要利用的是被称之为“表面等离激元”的光学技术，它能够将垂直入射的光转变为沿金属表面传播的电磁波模式（如文献3）。另一方面，在红外成像中，由于实际物体并不是严格的意义上的黑体，因此往往需要同时探测多个波长才能得到正确的图像（如文献4）。

已经公开的利用亚波长金属孔阵列作为量子阱探测器的光耦合器件的技术中，主要应用的是一层金属的孔阵列结构，这种耦合器件虽然相对早期的斜角入射、光栅耦合等效率均有一定提高，但效率仍然较低（吸收率7-10%，如文献5）。已经公开的多色量子阱探测器也主要是应用几种不同周期的光栅拼接在一起，这种拼接不仅增加了工艺难度，而且造成几种波长探测之间的相互干扰，即优化某一波长的探测效率必然会牺牲其他波长的探测效率（如文献6）。为克服这两个问题，本发明采用一层金属孔阵列结构和一层没有任何孔结构的金属膜构成的表面等离子体微腔，将量子阱放置于微腔中，利用微腔中的多个共振模式实现了多色探测，而且量子阱探测器吸收效率的相对单层的金属孔阵列结构也有5倍的提高。

参考文献：

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发明内容

本发明的目的在于提供一种结构设计灵活、探测性能高的光波探测元件，以满足在垂直入射光波、多波长同时进行光波探测应用的需要。

本发明提供的光波探测元件，是一种基于表面等离子体微腔的多色量子阱光子探测器件，其包括以下几个部分：

由刻有周期性孔阵列结构的第一金属膜110和另一未刻蚀任何结构的第二金属膜102组成的微腔。该微腔的厚度即第一金属膜110和第二金属膜102之间的距离小于探测光在量子阱中波长。应注意，虽然图1中示意图画出了2X2个十字孔，实际上为十字孔阵列，比如50X50十字孔阵列。该微腔的作用主要是将探测光耦合进微腔内部，并降低微腔中的光的逃逸速度，增加光与量子阱的作用时间。 

微腔中至少有两组量子阱层（如两组量子阱层104和108），每组量子阱层由一定数目的量子阱或超晶格组成，每层量子井或超晶格都含有合适的载流子浓度，并至少具有两个能级；量子阱的作用是吸收微腔中的光，通过子带跃迁的方式将光信号转化为电信号。

相邻两组量子井中间有一层电极（如两组量子阱层104和108之间有一层电极106），该电极为重掺杂的GaAs材料，主要是提供引出导线的作用。另外，第一金属膜110第二金属膜102也可以作为电极。这些电极提供量子阱探测器的外接电路电极。

该量子阱探测器的工作原理是：入射光波112从具有孔阵列的第一金属膜110表面进行入射，激发第一金属膜110与量子阱层界面的表面等离子体波，这样入射光通过转化为表面等离子体波被耦合进了微腔内，在微腔中，各组量子阱层吸收表面等离子体波后发生子带跃迁，在将光信号转化为电信号，探测过程结束。

本发明中，所述的量子阱光子探测器件100，其中，量子阱层可以是2组（如量子阱层104和108），也可以2组以上的多层量子阱或超晶格，也可以是量子点层或其相互间形成的复合结构；但也可以是一组量子阱结构，其多色探测功能可以通过外加不同大小的偏压来实现。

本发明中，所述的量子阱层应具有合适的掺杂浓度（一般为10¹⁷-10¹⁸/cm³），使得量子阱中基态能级具有足够的载流子数，当载流子吸收光波能量时可发生子带跃迁，但跃迁的种类可以是：基态到第一激发态或第二激发态等能级的跃迁，或者为基态到连续态的跃迁，或者多种子带跃迁同时发生。

本发明中，所述的半导体量子阱光子探测器件100，其中，第一金属膜110具有亚波长尺度的周期性孔阵列结构。该周期性孔阵列并不局限于十字孔结构，其他微孔结构如圆形、矩形等也可以；微孔可以按矩形、平行四边形等二维结构进行周期性排列（图2（a）（b））；金属膜的材料是Au、Ag等对入射光波112吸收很弱的金属，金属膜110的厚度由器件探测性能的需要所决定，一般为20-1000纳米。

    本发明中，所述的光子探测过程，其中，探测光波的波长由量子阱层（如104和108）中的子带跃迁和第一金属膜110界面的表面等离子体模式共同决定，一般但不限于中远红外波段。

本发明涉及的光波探测元件的特征在于：具备在半导体基板上的可进行能带工程设计的量子阱结构；具备金属亚波长周期性结构的微腔，其表面等离子体波可以通过金属周期性结构的设计进行方便的调节；量子阱被放置于微腔中，使得微腔中表面等离子体波与量子阱中子带跃迁具有足够的耦合强度，耦合的频率匹配程度和单频或多频匹配由探测元件的性能需要决定，并通过量子阱和微腔的结构优化设计来实现。

量子阱结构的能带工程设计是该领域所熟知的技术，为简明起见，这里不详细描述设计的方法和过程，最终采用的结构可以是单层量子阱层，也可以是多层量子阱、超晶格、量子点层，以及它们相互间形成的复合结构。量子阱子带能级中基态存在足够的载流子浓度，在光激发情况下，可发生从基态至一个或多个激发态的子带跃迁。这继承了半导体结构设计的灵活性以及成熟的工艺技术，使得本发明所涉及的光波探测元件可以根据探测应用的需要，灵活地设计器件的结构。

本发明所采用的表面等离子体微腔结构，在入射光的照射下，孔阵列金属膜和量子阱界面能够形成表面等离子体波。它一种非辐射状态的光波，被约束在金属/电介质（量子阱）界面附近，电场的方向以垂直于界面的Z方向为主，这满足了量子阱结构对光波的极化选择定律要求。其电场随着远离界面呈指数衰减（没有第二层金属膜的情况下），并在界面附近的近场范围内，表面等离子体波对电场具有增强作用。但是在亚波长范围增加第二层金属膜形成微腔后，表面等离子体波被微腔捕获后便不能轻易逃逸出去，导致其与微腔中的量子阱的作用时间大大的增加，导致量子阱的吸收效率相对单层的孔阵列金属结构有高达5倍的提高。同时，电场远离周期性孔阵列金属膜/量子阱界面也不再是指数衰减，衰减速率要小得多。为了使入射光波在金属/量子阱界面激发表面等离子体模式，本发明在金属层中采用亚波长孔周期性阵列结构，需要满足动量守恒条件要求：

                         （1）

其中，，分别为入射光波在半导体材料中的波矢和表面等离子体波的波矢，为入射光波的入射角，，为界面平面内X、Y方向的单位波矢，、为孔阵列在X、Y方向的周期。。此外，波矢与所探测的光波波长存在如下关系：

                                     （2）

                              （3）

其中， 是入射光波在真空中的波长，分别为金属和量子阱的介电常数。因此，当探测的目标波长和探测角度确定时，可根据上式，选取适当的后，确定合适的孔阵列周期参数。同时，根据子带跃迁过程能量守恒的要求，选取合适的能带结构，并应用能带工程技术设计合适的量子阱结构。

本发明相对单层金属孔阵列耦合的光子探测器，探测效率得到数倍以上的提高，能够同时进行2个或2个以上波长的多色同时探测，这对于提高红外成像具有十分重要的意义。

附图说明

附图给出了本发明涉及器件的设计方法和一些性能的展示，可以帮助理解本发明的具体内容，但应当注意到，这不构成对本发明权利要求的限制。

图1为本发明结构图示。其中，（a）有2组量子阱层，量子阱光子探测器件100包括：金属膜102，量子阱层104，电极106，量子阱层108以及刻有周期性十字孔阵列（图中示意图只有2X2个十字孔，实际上为十字孔阵列，比如50X50）的第一金属膜110。入射光波112从垂直于金属膜110方向入射，激发第一金属膜110与量子阱层108界面的表面等离子体波，这样入射光通过转化为表面等离子体波被耦合进了微腔内，在微腔中，量子阱层（104和108）吸收表面等离子体波后发生子带跃迁，在将光信号转化为电信号，完成探测过程。当然，入射光112也可以斜入射。微腔中也可以是一组或三组量子阱层。（b）包括3组量子阱层，可以同时探测三个波长。

图2示出了刻有周期性微孔结构的第一金属膜110可能采用的除十字孔外的其他设计。（a）金属膜微孔为圆形，按矩形周期性排列；（b）金属膜微孔为圆形，按平行四边形周期性排列；（c）金属膜微孔为矩形，按矩形周期性排列；（d）金属膜微孔包含正三角和倒三角，按矩形周期性排列。

图3显示入射光垂直照射到基于微腔结构的红外量子阱探测器的反射谱和基于单层十字孔阵列金属膜的量子阱红外探测器的反射谱，可以看见基于微腔的量子阱探测器在共振频率处具有更强的吸收，同时具有两个共振吸收频率f₁和f₂，显示了基于微腔结构的红外量子阱探测器具有的优势。

图4显示了基于微腔结构的量子阱探测器的频率调节性能和近场的电场增强效果。（a）保持共振频率f₁不变，当变化微腔上层金属膜110的十字孔阵列的几何参数和微腔的厚度S时，共振频率比值f₂/f₁的调节范围为1.3-1.7.（b）、（c）、（d）、（e）分别在给定的几何参数下微腔中平均的电场增强?E²?/?E₀²? 和 ?E_z²?/?E₀²?，其中E₀为入射光的电场强度，?E²?/?E₀²? 和 ?E_z²?/?E₀²?最大可分别达7倍和5倍。由于量子阱只吸收垂直于量子阱平面方向的电场E_z，因此?E_z²?/?E₀²?在某种程度上表示微腔量子阱探测器的性能的提高。

图5（a）显示了两个探测频率f₁和f₂在微腔中x-y平面上E_z平均电场强度分布，其中f₁对应的E_z在量子阱层104区域内具有较大值，f₂对应的E_z在量子阱层108区域内具有较大值，这种不同探测频率对应的电场在空间分开的性质可以解决两个探测频率的优化过程相互干扰的问题：即优化某一探测频率必须牺牲另一探测频率。（b）基于微腔的量子阱探测器中和基于单层十字孔阵列金属膜的量子阱探测器中量子阱的光吸收率，量子阱的光吸收率代表了光电转化效率，可以看到基于微腔结构的量子阱探测器中量子阱的吸收率要比基于单层十字孔阵列金属膜的量子阱探测器高得多，对f₁约有5倍的增强。

图6一种实施例。采用微腔结构的量子阱探测器，通过测量器纵向的输运性质进行光探测。

图7.一种实施例。采用微腔结构的量子阱耦合量子点探测器，微腔中的量子阱中包含自组织生长的量子点，通过测量器纵向的输运性质进行光探测。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步描述本发明，但这些附图和实例不构成对本发明的限制。

实施例1：如图6所示，采用金属十字孔阵列结构，周期为3.4微米，微孔边长约2.6微米，材料为Au，厚度为100纳米，微腔中包含两种波长的GaAs/AlGaAs量子阱层104和108，厚度均为0.5微米。制备欧姆接触后采用外加电路114测量光信号。入射光波112从微腔上表面金属层110入射，激发（0，1）和（1，1）不同阶表面等离子体波，表面等离子体波被微腔捕获，量子阱层104和108吸收表面等离子体波发生子带跃迁，子带跃迁产生的自由载流子在外电场的作用下迁移，从而给出可测的电流信号。

本实施例在GaAs体系上实现，但在应用本发明过程中，可以在更广泛的半导体材料体系上实现，如Si/SiGe、InP、GaN、SiC、CdSe等。

实施例2：如图7所示，在GaAs衬底上外延生长GaAs/AlGaAs量子阱层104和108,并在每个量子阱层中通过自组织方法生长InAs量子点。然后在表面制备X、Y方向周期分别为5微米和2.5微米的阵列结构，采用Al材料，厚度50纳米。最后，制备欧姆接触，再采用外加电路114测量光信号。

入射光波112从微腔表面110入射，激发第一金属膜110界面的表面等离子波，量子阱层104和108镶嵌其中的量子点116吸收表面等离子波的能量作发生子带跃迁和电离。受激发自由载流子在外电场作用下迁移，从而给出可测的光电流信号。

尽管已示出并描述了数个根据本发明的实施例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的基本原理和精神的情况下，可以对这些实施例作出改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。