光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器.pdf

本发明公开了一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器。将光子晶体与量子阱红外探测单元相结合，光子晶体作为耦合单元直接嵌套在红外探测单元内。由于周期性的表面结构及光子晶体对光子态的调制，导致量子阱红外探测单元对特定波段的响应增强，而其它波段的响应受到抑制，达到窄波段探测的目的。与传统的量子阱探测器相比，这种探测器有如下优点：一、响应波段窄，可以通过光子晶体对光子态的调控以及量子阱本身结构控制，来调节响应峰值波长的位置。二、峰值波长探测效率高，由于实现了光子态的控制，探测效率得到了提高。三、便于用户导向型设计，光子态的调控提供了新的设计维度，更加有利于根据用户要求，优化产品响应波段匹配性能。

1.  一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器上嵌套有二维分布的作为耦合单元的光子晶体。

2.  根据权利要求1所述的一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，其特征在于：所述的光子晶体的结构为：
晶格常数：a_x＝a_y＝λ/3μm；
介质圆柱的直径：D＝0.4a_xμm；
介质圆柱孔洞刻蚀深度：T₁＜H＜T₂；
其中λ为探测器响应的中心波长，T₁为发射极n型掺杂GaAs层(1)和Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)的厚度之和，T₂为发射极n型掺杂GaAs层(1)、Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)以及多量子阱层(3)的厚度之和。

3.  根据权利要求1所述的一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，其特征在于：所述的红外探测器为GaAs/AlGaAs多量子阱探测器。

4.  根据权利要求1所述的一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，其特征在于：所述的光子晶体介质圆柱孔洞的填充材料是二氧化硅。

光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器
技术领域
本发明涉及长波红外量子阱探测器技术，具体是指一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器。
背景技术
在最近的二十年里，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外探测器的实验室研究和商业开发十分活跃。比起传统的碲镉汞红外探测器，量子阱探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低、对于焦平面列阵探测器而言，这些优点表现的更为明显。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探测器在长波波段应用方面有着相当的前途。但是，根据量子力学跃迁选择定则，只有电矢量垂直于多量子阱生长面的入射光才能被子带中的电子吸收，从基态跃迁到激发态，导致电导率的变化实现器件对红外光的探测。一般情况下，红外辐射垂直于量子阱生长面入射，需要采取一定措施(光耦合)使辐射被探测器吸收。目前，人们普遍采取光栅耦合的方式，但是，这种耦合方式制作出来量子阱探测器响应波段处于一种非常尴尬的境地——既不能满足宽响应波段器件性能的要求，也无法达到特定响应波长的窄带器件性能的要求。
光子晶体是通过各种方法人工地引入周期性介电常数调制，其中介电常数的周期可与光波长相比的一种微型结构。介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使得材料中特定频率的光子态密度增加，其它频率的光子态密度减小。为此如果能够利用光子晶体对于光子态调控的特征实现一种超窄带响应的红外探测器是有着重要应用价值的。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，解决现有光栅耦合量子阱红外探测器响应波段较宽且响应较低的问题，实现一种超窄带光谱响应和高峰值波长响应率的红外探测器。
本发明的基本结构特征是将光子晶体与量子阱红外探测单元相结合，光子晶体作为耦合单元直接嵌套在红外探测单元内。由于在与生长方向垂直的平面内，两个垂直方向上存在类似于二维光栅的周期性重复，该结构首先可以将垂直入射光部分转化为沿水平方向传输，提高量子阱探测单元的量子效率。而且，我们通过光子晶体对光子态的调控，使得处于响应峰位的光子态密度显著增加，而其他响应频率范围的光子态密度降低，从而有效地限制了量子阱探测响应波段宽度，窄化了探测器的响应波段。
基于上述设计思路，本发明的技术解决方案是：在已经生长成的量子阱红外探测器材料上，光刻出周期性圆柱状凹槽阵列，凹槽深度到达周期多量子阱层内，如附图1、2、3所示。并在凹槽部分沉积上二氧化硅介质，已然生长的GaAs/AlGaAs材料与二氧化硅介质材料介电常数不同，这样周期性介电常数的调制在量子阱单元内部形成光子晶体，实现对垂直入射光的波长选择性耦合。
器件结构按如下方法确定：
晶格常数a_x、a_y和圆柱孔直径D，可以根据二氧化硅和GaAs/AlGaAs材料的介电常数，及所选择的特定响应波长λ的需要进行调节，其量级为微米。
晶格常数：a_x＝a_y＝λ/3μm。
介质圆柱的直径：D＝0.4a_xμm。
介质圆柱孔洞的刻蚀深度：T₁＜H＜T₂，其中T₁为发射极n型掺杂GaAs层(1)和Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)的厚度之和，T₂为发射极n型掺杂GaAs层(1)、Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)以及多量子阱层(3)的厚度之和。
本发明使用光子晶体作为量子阱红外探测单元光耦合元件的优点集中表现在相对于二维光栅性能的加强和提升上。光子晶体光耦合一方面具备并且提高了二维光栅部分改变入射光方向到平行于量子阱平面的能力，另一方面由于光子晶体对光子态的调控，增强特定波长入射光在材料中的态密度，并抑制其它波长入射光在材料中的态密度，实现窄波段探测性能。
附图说明
图1为本发明的光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元结构示意图；
图中：6——圆柱状二氧化硅介质填充。
图2为本发明光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元的顶视图。
图3为本发明图2箭头所示剖面处的侧视图；
图中：1——上发射极n型掺杂GaAs层；
2——Al_0.15Ga_0.85As势垒层；
3——多量子阱层；
4——下发射极n型掺杂GaAs层；
5——GaAs衬底。
图4为本发明的光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元光电流谱与普通二维光栅量子阱红外探测单元光电流谱的比较。
具体实施方式
根据本发明的技术解决方案，我们以响应波长峰值在λ＝15μm左右的光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元为例，结合附图1、2和3来说明器件的实施方法。
本发明GaAs/AlGaAs材料是利用分子束外延技术生长的。
所说的多量子阱层，共有50个周期，每个周期包括1个60nm的Al_0.15Ga_0.85As势垒层和1个7nm的GaAs量子阱层，量子阱的掺杂浓度为2.5×10¹⁷cm^-3；上下发射极分别是n型掺杂的GaAs，掺杂浓度为2.5×10¹⁷cm^-3。
上发射极n型掺杂GaAs层的厚度为1μm，Al_0.15Ga_0.85As势垒层的厚度为47nm，即：
T₁＝1.0μm；
T₂＝4.4μm。
利用光刻技术在外延生长的量子阱单元上刻蚀周期性排列的圆柱状孔洞，孔洞深度到达多量子阱层内，并在圆柱状孔洞内沉积二氧化硅介质，形成介电常数的周期性调制。
光子晶体的主要结构参数设计如下：
晶格常数：a_x＝a_y＝5μm。
介电圆柱的直径：D＝2μm。
介质圆柱孔洞的刻蚀深度：H＝1.3μm
器件具体应用中首先将器件工作温度降低到35K，调节工作电压到2伏特。为比较计，可同时将常规的二维光栅耦合量子阱红外探测单元在相同的工作条件下同时测试和应用。
系统性能如下：
探测单元光电流谱是在一定温度及工作电压情况下，探测器响应电流随入射光波长变化的曲线，它能反映出探测器的波段响应特性。光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元与普通二维光栅耦合量子阱红外探测单元在35K和2V工作电压下的预期光电流谱示于图4中，可以看出光子晶体耦合比起普通二维光栅耦合具有更好的窄波特性。它可以把探测器的带宽压缩10倍以上，如果进一步优化光子晶体结构，这样的响应波段压缩比例可以得到进一步提升，从而满足很多气体分子振动光谱探测的需求。