一种用于高光谱成像的波段选择性增强量子阱红外焦平面的制作方法
【技术领域】
[0001] 本专利设及高光谱成像应用中对量子阱红外探测器的响应率进行波段选择性增 强的红外焦平面探测器，具体是指等离激元微腔光禪合增强响应率的高光谱成像量子阱红 外焦平面器件。
【背景技术】
[0002] 光谱分析，尤其是红外光谱分析，能够反映被测物体的原子和分子振动的信息，掲 示其微观结构和化学成分等指标，因此成为自然科学研究中的一种重要手段。光谱成像技 术是一种新兴的光电成像探测技术，在探测目标物体光学强度分布的同时也探测该物体相 应的光谱分布，在某种程度上类似于彩色数码照相机上的红、绿、蓝=色探测，只是光谱的 波段划分要精细得多。光谱成像既有图像分辨能力，又有光谱分辨能力，能够同时快速测量 和分析物体的形状和光谱构成，实现对物体的定位和结构及成分分析，在目标识别、遥感探 测W及医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 按照光谱的波段分辨能力，即波段宽度除W中屯、波长，表示为AA/A，光谱成像 技术能够划分为多光谱、高光谱和超光谱等不同的成像层次。通常人们将AA/A~0.1 的量级称为多光谱，AA/A~0.01量级称为高光谱，而AA/A~0.001量级称为超光 谱，具体通过光栅分光或者是窄带滤光片来实现。从多光谱到高光谱、超光谱，波段的划分 越来越细，成像的光谱分辨率也越来越高。但随之而来的问题是波段的窄化造成单一波段 通道中能够到达探测器的光子数越来越少，使得探测器的响应也相应地被削弱。为了实现 高光谱分辨下的高灵敏探测，必须要求相应探测器具有更高的探测能力，能够实现在入射 光子数减少的情况下也具有足够的响应能力。
[0004] 在红外波段，目前广泛使用的高灵敏度探测器主要有蹄儒隶化gCdTe，MCT)探测 器和AlGaAs/GaAs量子阱探测器（QWIP)。QWIP器件由于在材料制备和器件工艺方面成熟 稳定，具有大面积均匀性、成品率高、材料和器件关键参数可控性好等优点，特别适合于制 备长波8-12ym、甚长波12-16ym波段的焦平面探测器。然而，QWIP的工作机理来自于量 子阱子带间跃迁，其本征的子带能级的低态密度造成对光的吸收较弱，入射到光敏元的光 子大部分不能被吸收，而是逃逸出光敏元。此外，由于子带间跃迁的量子力学选择定则，量 子阱材料对垂直入射的光子不能吸收，目前QWIP焦平面器件主要通过介质光栅禪合结构 改变入射光的传播方向来实现子带间跃迁的波矢匹配。由于介质光栅对光禪合不能表现共 振特征，因此光禪合效率较低。为了提高QWIP器件对入射光的禪合效率，本发明人曾经设 计了一种亚波长等离激元微腔禪合结构，利用其陷光效应和法布里-巧罗（F-巧共振效应 能够实现QWIP器件响应率160倍的提升。相关的专利申请号为：201410546873. 2,专利名 称：提升光电探测器光响应的亚波长等离激元微腔光禪合结构。该结构的基本特征是由底 层完整金属和顶层周期性排列的金属条块夹持中间的量子阱激活层构成，其间距在上、下 金属表面近场倏逝波的范围之内，因此上、下层金属发生禪合，形成光场沿纵向均匀分布的 模式。而在横向上，单个金属条块的边界形成阻抗失配的界面反射层，光场两个界面之间形 成F-P共振的驻波，使入射光子陷落在该微腔中形成局域光场的集聚，并通过驻波的来回 传播增大了在量子阱中的有效光程，因此从增加有效光强和延长吸收长度两个方面提升了 量子阱的光吸收，使得光电响应率得到大幅提升。
[0005] 在此基础上，本发明人进一步发现，能够通过改变上层金属条块的线宽调节该微 腔禪合结构的共振波长。特别是，将不同共振波长的微腔禪合结构制作在同一焦平面忍片 的不同像元上，则形成不同波段的选择性共振，得到选择性增强的单个像元或者是像元列。 将其与高光谱成像装置中的分光器件相对应，即能够实现在确保高光谱的光谱分辨能力的 前提下进行高灵敏度探测。由于整个焦平面像元阵列中所采用的光电转换激活材料是相同 的，具有同一个本征的光吸收特性。而本发明所设及的波段选择性响应增强禪合结构具有 几何尺寸决定的共振波长选择性，能够被设计成共振波长在不同像元上顺序逐渐变化的结 构。其结果是在同一个本征的光吸收特性上叠加一个共振增强的模式特性，并且按照高光 谱划分的波段对共振波长进行调谐。入射光在经过高光谱分光元件之后，尽管到达探测器 像元的总光子数由于分光而受到限制，但由于探测像元的光响应被有针对性地提高，依然 能够实现在确保高光谱分辨率下的高灵敏度光谱成像探测。
【发明内容】
[0006] 本专利的目的是提出一种用于高光谱成像应用的波段选择性增强响应率的量子 阱红外探测器（QWI巧焦平面器件，解决目前高光谱成像探测焦平面中由于分光之后到达 探测器像元的总光子数减小而形成的像元响应较弱的问题。所述等离激元微腔结构能够将 入射光陷落在微腔中形成光场的集聚和驻波共振，并且能够通过调节上层金属条块的线宽 来调谐共振波长，进而达到针对分光波段的响应增强，与高光谱分光波段相匹配，最终提高 高光谱成像仪的整体性能。
[0007] 本专利采用的等离激元微腔进行光禪合的结构，其结构为W入射光经过先后为序 依次是：上层金属阵列层1，QWIP焦平面像元2,下层金属反射层3。
[0008] 所述的金属阵列层1为周期为P、线宽为S、厚度为hi的金属阵列。其维度包括一 维和二维阵列，其材质包括但不限于高导电性的金或者银。为了改善其黏附性，可在其与焦 平面像元2之间附加一层厚度为0~30纳米的黏性金属，其材质包括但不限于铁。其周期 P、线宽S和厚度hi的数值由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使入射光波 能够与金属中电子集体振荡形成的等离激元的局域表面模式发生共振禪合，在共振模式的 诱导下进入禪合微腔中，形成横向的驻波腔模模式。
[0009] 所述的QWIP焦平面像元2为QWIP焦平面通用像元，像元所含功能层自上到下依 次为n型渗杂AlGaAs阻挡层、n型渗杂上电极层、GaAs/AlGaAs量子阱激活层、n型渗杂下 电极层。其厚度h2由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使禪合进入微腔结 构中的电磁波所形成的横向驻波模式达到最强。按照等离激元微腔近场禪合要求，h2必须 小于所探测入射光的等效光波长，即真空中的光波长除W该层物质的折射率。对于折射率 的最小取值为3时，h2应不大于在介质中的探测波长立分之一。
[0010] 所述的下层金属反射层3是指一层覆盖在像元台面底部的金属层，其厚度h3不小 于W微米为单位的探测波长的平方根的0. 0048倍，其宽度L应尽量覆盖全部的像元台面 从而尽可能多地与金属方块形成等离激元微腔，该层材质包括但不限于高导电性的金或者 银。为了改善其黏附性，可在其与焦平面像元2之间附加一层厚度为O~30纳米的黏性金 属，其材质包括但不限于铁。
[0011] 所述的波段选择性增强是指焦平面忍片上的每个像元或者每行/列像元上的金 属阵列层（1)具有不同线宽S，其尺寸对应的共振波段包含高光谱分光的中屯、波长。不同的 线宽S对应了不同的共振中屯、波长，可W顺序排列，也可W随机分布。
[0012] 本专利基于的工作原理是：针对特定的光电探测波长所设计的一维或二维金属条 块阵列，使得金属条块中电子的集体振荡所形成的等离激元能够与入射光发生共振禪合。 上层金属条块与下层金属反射层共同作用，对光场的分布形成了新的调制，使得禪合进入 微腔中的光波沿量子阱平面传播，并形成驻波形式的腔模，导致光场被限制在微腔之中，阻 止了光子的逃逸，极大地提高了入射光子的利用率。例如：针对结构参数取金属线宽S为 5. 9微米、对应的共振波长为14. 4微米的有限元方法计算表明，等离激元微腔光禪合结构 中能够被量子阱吸收产生光电流的具有Z分量电场的光子将被局域在金属方块区域，在入 射光电场取为单位值1时，微腔中Z分量电场平方的数值最高能够达到76. 4,反映出光场的 高度集聚与增强。
[0013] 禪合腔模的共振波长由W下方程决定：
[0015] 其中AK为共振波长，Hpff为介质QWIP的等效折射率，S为金属条块的线宽，K为 共振模式阶数。腔模的传播方向由自由空间中的垂直于探测器平面的Z方向转变成为沿着 探测器平面方向传播，并由QWIP像元中的激活层吸收之后转变成为光电流。从腔模共振公 式上看，在选定的共振级数K和微腔波导介质等效折射率rwf的情况下，该腔模共振波长正 比于金属条块线宽S，改变上层金属线宽就能够调控腔模共振波长。通过设计一系列具有不 同线宽S的焦平面像元，各像元的共振波长将形成系列变化，即所增强的波段形成系列变 化。将其设计成与成像光谱技术中的分光波段相匹配，则在各个相应的分光波段，探测器像 元的光谱响应都将得到一个理想的提升，进而提升成像光谱仪的整体性能。
[0016] 本专利的优点在于：
[0017] 1将等离激元微腔集成到QWIP焦平面像元中，利用上层金属阵列与下层金属反射 层之间的等离激元共振，使入射光子被微腔捕获，陷落在微腔中形成局域光场的增强，并且 不断被量子阱吸收从而形成光电流，最终导致红外焦平面探测像元的响应率得到极大地提 升。在本发明的实施例中，能够实现在同一忍片上峰值波长在13. 0-15. 2微米范围内相比 于标准45度磨角禪合方式的响应率提高5. 3~12. 3倍。
[0018] 2等离激元微腔禪合结构腔模共振波长可通过改变金属线宽来实现，通过将一系 列不同金属线宽的等离激元微腔集成到不同的焦平面像元上，使其对应于不同波段的响应 率增强。在本发明的实施例中