专利名称：用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光耦合器及其设计方法，特别涉及一种用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅及其设计方法。属于半导体光电器件应用技术领域。
背景技术：
太赫兹(THz)波是指电磁波谱中频率从IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相应波长从3毫米到10微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。由于在国防安全、反恐、 医疗成像、物质鉴别及环境监测等方面具有极高的应用价值，THz科技逐步受到了人们越来越多的关注。THz量子阱探测器(THzQWP)是基于GaAs/AWaAs多量子阱材料体系的半导体光电探测器。GaAs/AWaAs多量子阱中的子带间跃迁最早于1985年在实验上观测到，随后被运用到红外量子阱探测器(QWIP)中。THzQWP是QWIP在THz波段的自然扩展，最早的THzQWP 由加拿大的刘惠春教授等人于2004年提出。从工作原理上看，THzQffP是一种子带间跃迁型(ISBT)探测器，无光照时，电子处于量子阱的束缚态中，在THz光场作用下，量子阱中的电子吸收光场能量，由束缚态跃迁到连续态或准连续态，在外加偏压的作用下形成光电流，从而实现对THz波的探测。根据量子力学，ISBT的选择定则决定了这种类型的探测器对平行于多量子阱层的电磁场偏振分量没有响应。这就是说，如果入射光沿着器件的生长方向照射(器件的正面或背面，即通常所说的正入射和背入射)，ISBT不会发生，也不会产生光电流。因此，在实验研究中，通常的做法是将光斜入射到器件中，使得入射光场包含平行于量子阱生长方向的偏正分量，比如沿着QWP表面的布鲁斯特角方向入射，或者是将QWP的端面磨成45度角，再沿着这个端面入射。然而在THz的诸多应用中，与国防安全和医疗诊断相关的一项重要应用是THz实时成像。这就需要将探测器组合成焦平面阵列，入射光须垂直于焦平面。所以对于THzQWP焦平面阵列，以上提到的斜入射方案不再适用，而必须在器件的表面制作光耦合器，将垂直于量子阱生长方向的偏振电场部分转化为沿平行方向的偏振，以实现正入射情况下的ISBT。光栅是最常用的光耦合器之一，如标准的反射式光栅、一维金属光栅、V字型光栅、 金属网格光栅和无序光栅等。其中一维金属光栅相对简单实用，容易制备且具有可观的耦合效率。通常一维金属光栅的设计基于简单的光栅方程，且在GaAs/AWaAs材料体系中，光栅材料一般采用Ti/Pt/Au。图1给出了一维金属光栅耦合THzQWP的结构示意图。鉴于此，本发明根据THz波及THzQWP的结构特点，提出一种高效的THzQWP光栅设计方法，对研制高性能正入射工作的THzQWP，以及THz实时成像的研究和实现具有重要的
眉、ο
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅及其设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅，其特征在于该一维金属光栅的周期d等于对应太赫兹量子阱探测器的峰值响应频率在所述太赫兹量子阱探测器的器件材料中的波长λρΜ 。作为本发明的优选方案，所述一维金属光栅的材料为金Au。作为本发明的优选方案，所述一维金属光栅的厚度小于1 μ m。当材料为金Au时， 所述一维金属光栅的厚度优选为0. 4 μ m。上述用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，包括如下步骤1)根据太赫兹量子阱探测器的峰值响应频率在该太赫兹量子阱探测器的器件材料中的波长Xpeak设计一维金属光栅的周期d，使d= Apeak52)计算一维金属光栅与器件材料界面处电磁场损耗的大小来选取电磁场损耗小的金属作为一维金属光栅的材料；3)设计一维金属光栅的厚度。作为本发明的优选方案，步骤1)中，利用红外傅里叶变换光谱仪测量45度角端面入射情况下所述太赫兹量子阱探测器的光电流谱，得到器件的本征响应区域及峰值响应频率f，然后计算峰值响应频率f对应的太赫兹波在器件材料中的波长λ peak,使一维金属光栅的周期d= xpeak。作为本发明的优选方案，步骤2)中，根据金属的电导率越高电磁场损耗越小的关系，选取电导率高的金属作为所述一维金属光栅的材料。进一步地，选取所述一维金属光栅的材料为金Au。作为本发明的优选方案，步骤3)中，选取一维金属光栅的厚度为Iym以下，当材料选取金Au时，所述一维金属光栅的厚度优选为0. 4μπι。本发明的有益效果在于该方法可为太赫兹量子阱探测器提供一种高效的一维金属光栅，实现高性能正入射情况下工作的THzQWP，对基于焦平面阵列的THz实时成像的研究和应用具有重要意义。
以下是对本发明涉及的各示意图的阐述。图1为一维金属光栅耦合THzQWP器件的结构示意图；图2为实施例中45度角端面入射实验配置示意图；图3为实施例中器件有源区中平均光强随光栅周期变化的关系图；图4为实施例中器件有源区中平均光强随光栅厚度变化的关系图。
具体实施例方式下面结合附图，以一个实际的THzQWP器件为例，进一步说明本发明的具体实施方式
。THzQffP 器件编号TQWPA。TQffPA的峰值响应频率 3. OTHz。第一步，设计光栅周期
采用红外傅里叶变化光谱仪测得了 45度角端面入射(图幻情况下TQWPA的光电流谱，得到响应区域约为1. 0-5. OTHz,响应峰值约为3. OTHz。如果按照通常的一维金属光栅设计方法，根据光栅方程mA = nd(sina +sin^ )其中m是衍射级数，λ为入射波长，η为介质介电函数，d为光栅周期，α和β分别为入射角和衍射角。为保证在器件响应区域内存在至少1级(含1级)以上的衍射模，那么光栅周期应该为d λ·/η其中λ max为器件主要响应区域最低频率所对应的波长，取λ_ = 200ym, η = 3. 2，则光栅周期为d = 62. 5 μ m。本发明的发明人根据器件的具体结构，对器件有源区(多量子阱层)中的电场分布进行了模拟，并计算了平均光强随光栅周期的变化关系。结果发现，当光栅周期与峰值响应频率对应的波长(在器件材料中)相等时，光栅耦合效率最大，如图4所示。所以在本发明的设计方案中，根据器件的响应峰值频率确定光栅的截止频率，进而设计光栅的周期，取光栅的周期d为其峰值峰值响应频率在器件材料中的波长λρΜ 。对于TQWPA，峰值响应频率约为3. OTHz，对应的波长为27. 5 μ m，所以取TQWPA的光栅周期为27. 5 μ m。第二步选取光栅材料在金属光栅与半导体材料的界面处，电磁场存在损耗，金属的介电函数可表示为
①2εΜ{ω) = \Μ
ω[ω + ιοΜ)其中ω为电磁场频率，ωΜ为金属等离子体频率，δ Μ为衰减率，决定了电磁场损耗的大小。电导率较高的金属、较低，金的电导率较高，性质稳定，半导体工艺成熟，所以光栅材料可以选取金。半导体工艺中，在GaAs表面生长金之前通常先生长钛和钼两个薄层，形成Ti/Pt/ Au，或者先生长钯、锗、钯、铟四个薄层形成Pd/Ge/Pd/In/Au，目的在于形成良好的电接触并增加Au的附着力。然而Ti和Pd的电导率远低于Au，对电磁场会引入很大的金属耗散，所以在生长金属光栅时可直接生长Au减小损耗。第三步设计光栅厚度半导体工艺中，通常采用电子束蒸发在GaAs表面生长金，生长厚度通常为几百纳米，最厚不超过2.5μπι。本实施例模拟了器件中的光强与金的厚度的关系，如图5所示。在模拟范围内，光强随金的厚度增加而增大，但增大幅度不超过10%。考虑到高纯金的使用量及通常半导体工艺中的生长厚度，可以优选光栅厚度为0.4μπι。第四步器件的制备在TQWPA器件的台面上涂上光刻胶，用占空比为50%的光栅掩模板进行曝光，在器件台面上形成光栅的图案。通过电子束蒸发在具有光栅图案的台面上生长一层约0. 4 μ m 厚的金，随后采用剥离技术洗掉光刻胶并一同去掉附着在光刻胶上的金，从而形成最终的一维金属光栅。制成的光栅器件响应率为0.2A/W，这一数值远高于目前已有报道的光栅 THzQffP的响应率。
本发明金属光栅耦合太赫兹量子阱探测器的光栅设计方法通过设计合理的光栅周期、厚度及选取合适的光栅材料，可实现高性能的光栅耦合THzQWP，为THzQWP阵列的开发和成像应用提供了研究手段。本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅，其特征在于该一维金属光栅的周期d等于对应太赫兹量子阱探测器的峰值响应频率在所述太赫兹量子阱探测器的器件材料中的波长λρ_。
2.根据权利要求1所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅，其特征在于所述一维金属光栅的材料为金Au。
3.根据权利要求2所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅，其特征在于所述一维金属光栅的厚度小于ι μ m。
4.根据权利要求3所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅，其特征在于所述一维金属光栅的厚度为0. 4 μ m。
5.用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于，包括如下步骤1)根据太赫兹量子阱探测器的峰值响应频率在该太赫兹量子阱探测器的器件材料中的波长λ peak设计一维金属光栅的周期d，使d = λ peak ；2)计算一维金属光栅与器件材料界面处电磁场损耗的大小来选取电磁场损耗小的金属作为一维金属光栅的材料；3)设计一维金属光栅的厚度。
6.根据权利要求5所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于步骤1)中，利用红外傅里叶变换光谱仪测量45度角端面入射情况下所述太赫兹量子阱探测器的光电流谱，得到器件的本征响应区域及峰值响应频率f，然后计算峰值响应频率f对应的太赫兹波在器件材料中的波长λ peak，使一维金属光栅的周期d= Apeako
7.根据权利要求5所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于步骤2)中，根据金属的电导率越高电磁场损耗越小的关系，选取电导率高的金属作为所述一维金属光栅的材料。
8.根据权利要求7所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于步骤幻选取所述一维金属光栅的材料为金Au。
9.根据权利要求5所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于步骤3)选取一维金属光栅的厚度为1 μ m以下。
10.根据权利要求7所述的用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅的设计方法，其特征在于步骤3)选取一维金属光栅的厚度为0. 4 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种用于太赫兹量子阱探测器的一维金属光栅及其设计方法。该一维金属光栅的周期d等于对应太赫兹量子阱探测器的峰值响应频率在所述太赫兹量子阱探测器的器件材料中的波长λpeak。其设计方法包括如下步骤1)测量器件在45度角端面入射情况下的光电流谱，确定器件的响应峰值，根据器件的峰值响应频率确定光栅的截止频率，进而设计光栅的周期；2)选取合适的光栅材料；3)设计合适的光栅厚度。该方法可通过红外傅里叶变换光谱仪测量得到器件的本征响应区域及响应峰值，计算出峰值响应频率在器件材料中的波长λpeak，从而设计光栅的周期为d=λpeak。本发明对高性能太赫兹量子阱探测器的实现及其成像应用具有重要意义。
文档编号G02B5/18GK102386245SQ20111005220
公开日2012年3月21日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者张戎, 曹俊诚, 郭旭光 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所