专利名称：一种半导体量子阱光子探测器件的制作方法
技术领域：
本发明属于光波探测技术领域，具体涉及一种半导体量子阱探测器件。
背景技术：
采用量子阱结构的器件是进行光波探测，特别是中远红外波段光波探测的主要技术之 一。然而，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， 即量子阱结构只能吸收具有与量子阱平面垂直非零电场分量的光波，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，在实际的器件应用中必须 结合侧面倾角入射(如文献2)、光栅耦合(如文献5)或刻蚀槽结构(文献6)等复杂的 工艺处理。这些方法不仅增加了工艺的难度、降低了产率，同时还限制了器件的适用领域 和性能。为克服这一问题，本发明采用具有亚波长尺度周期性金属结构中的表面等离子体 波作为耦合结构，实现量子阱结构对垂直入射光波的有效吸收。
已公开的表面等离子体应用技术主要集中于对化学、生物体系的传感技术，如文献3。 而在半导体体系利用表面等离子体的公开技术有利用半导体衬底等效介电响应(如文献4) 或半导体禁带跃迁、即产生电子一空穴对从而与表面等离子体波进行耦合。然而，上述已
公开的技术存在调谐半导体特征频率与表面等离子体模式匹配度的困难，因为半导体的介 电性质、带隙等均为材料自身的特有性质，无法进行方便的、大范围的调节；同时，也无 法实现多个表面等离子体模式与半导体中特征频率的耦合，因而限制了在光波探测领域的 应用。为克服这一问题，本发明将成熟的半导体能带工程技术与金属周期性结构的表面等 离子体技术相结合，利用两者良好的灵活性，实现耦合模式的方便调谐和很宽波长范围内 的半导体量子阱光波探测。
参考文献丄L. Pan and C. G. Fonstad, Jr., "Theory, fabrication and characterization of quantum well
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6,410,917。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构设计灵活、制备工艺简单的半导体量子阱光子探测器件， 以满足实际光波探测应用在入射光波极化性质(垂直入射光波)、多样化波长范围等方面 的需要。
本发明提出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，其表面等离子体模式可以通过金属周期性结 构的设计进行方便的调节；量子阱结构与金属周期性结构之间距离较小(小于波长，即近 场范围)，使得金属结构中表面等离子体模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，并通过量子阱和金属的 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，或者是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(大于108/cm2)，在入射光激发情况下，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。
本发明所采用的金属与半导体界面结构，可形成金属的表面电荷与电磁场的组合振荡， 即表面等离子体波，它是一种非辐射状态的光波，被约束在金属/电介质(半导体)界面附 近。其电场随着远离界面呈指数衰减，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，当量子阱结构处于界面附近时可以有足够的吸收强度。同时，在半导体 层中，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。
为了使垂直正入射或者以0角斜入射的光波能够穿透金属层井满足动量守恒的要求在 金属/半导体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。动量守恒条件要求
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其中，f， &: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，心'^为界面平面内X、 Y方向的单位波矢，X、 Y为孔阵列在X、 Y方 向的周期。z'，y = 0,1,2...，此外，波矢与所探测的光波波长存在如下关系
其中义是入射光波在真空中的波长，^,e,分别为金属和半导体材料的介电常数。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/,y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。
根据上述原理，本发明所提出的光波探测器件结构包含
一半导体层102，在该半导体层102 —侧表面104附近有量子阱层106,该量子阱层 106中具有一定的载流子浓度，并至少具有两个能级；
一金属层108，在半导体一侧表面104上，该金属层中具有亚波长孔周期性结构；
一入射光波110，在垂直于半导体一侧表面104和量子阱层106的方向上，从金属层 108正面或半导体层102的另一侧表面入射，并最终被量子阱层106所吸收。
上述器件结构中，所述半导体层102中的量子阱层106是单层量子阱层，或者是多层 的量子阱、超晶格或量子点层，或其中几种形成的复合结构层，如GaAs量子阱、InAs量 子点层、SiGe p型量子阱等。这样的量子阱或量子点层具有合适的掺杂浓度(大于 108/cm2)，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，对应于基态+第一激发态或第二激发态等能级的跃迁，或者为基态+连续态的 跃迁，或者多种子带跃迁同时发生，对应于能级跃迁选择定则所允许的跃迁过程。
所述金属层108具有亚波长孔周期性阵列结构，孔形状可以是圆形、矩形、三角形、 不规则四边形或其他复杂形状，或其中几种图形的复合结构；阵列可以按矩形、六角形等 二维结构进行周期性排列；金属层的材料可以是Au、 Ag等对入射光波IIO吸收很弱的金 属，其厚度由器件探测性能的需要所决定， 一般但不限为100纳米量级(如为80nm-600nm)。 为了某种需要，还可在Au、 Ag等金属与半导体层102之间加入对入射光波110透明的Ti、 Cr或NiCr等金属薄层。还可在金属层108和半导体层102之间引入合适的介质层，如Si02、 即3等。
在光子探测工作过程中，所述入射光波110包含的光子可以直接入射到金属层108上 并将能量转换为在其上和/或下表面处形成表面等离子体112;也可以透过半导体层102包括量子阱层106后入射到金属108上并转换为其下和/或上表面形成表面等—离子体112';形
成的等离子体112在量子阱层106处具有较大的竖直电场分量Ez，该竖直电场能够激发量 子阱106中的载流子发生子带跃迁，使得能量被量子阱层106所吸收。
本发明提出的半导体量子阱光子探测器，入射光波的波长由量子阱层106中的子带跃 迁和金属层108中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。可以是单 波长的窄带或宽带光波，也可以是多波段光波进行同时探测。在实际应用过程中，为提高 探测器对入射光波的量子吸收效率，可在半导体102中引入厚度为100纳米至10微米的 重掺杂层或布拉格发射层，从而提高入射光波110被量子阱层106所吸收的效率；还可在 入射光波110的被入射表面引入介质层(如ZnSe、 Ge等)和针对探测波长的增透薄膜(如 厚度为1/4倍波长的KRS-5薄膜等)。
图1为本发明所涉及的一种结构图。
图2示出了在图1结构基础上引入了掺杂层或布拉格发射镜层120后的结构图。 图3为量子阱结构多种能带结构和子带跃迁示意图。其中，(a)单量子阱能带导带结 构和电子从基态到第一激发态的子带跃迁；(b)单量子阱能带导带结构和电子从基态到第 一、第二激发态的子带跃迁；(c)单量子阱能带导带结构和电子从基态到第一激发态和连 续态的子带跃迁；(d)双量子阱能带导带结构和电子从基态到第一激发态的子带跃迁；(e) 量子阱中含量子点结构的能带导带结构和电子从基态到第一、第二、第三激发态的子带跃 迁；(f)单量子阱能带价带结构和空穴从基态到第一、第二激发态的子带跃迁。
图4为金属亚波长周期性结构可能采用的设计图示。其中，(a)金属亚波长微孔为圆 形，按矩形周期性排列；(b)金属亚波长微孔为圆形，按平行四边形周期性排列；(c)金 属亚波长微孔为矩形，按矩形周期性排列；(d)金属亚波长微孔包含正三角和倒三角，按 矩形周期性排列。
图5为实施例3采用的金属孔阵列结构(a)和对应的透射谱(b)。 (b)中各透射峰反 应了不同的表面等离子体模式，括号[]中标注的为式(1)中的i和j值。
图6为采用图5中的金属微孔阵列结构形成的量子阱探测器结构。其中，(a)金属微 孔阵列结构108与量子阱层106耦合后作为另一沟道层130的光敏浮栅，即量子阱106吸 收入射光波110后，受激发的电子隧穿离开量子阱从而改变量子阱的电势，随之沟道130 的电导发射变化。禾(J用源132和漏极134在外电路140作用下可测出光照射引起的信号。 (b)所采用的晶体材料结构和量子阱区域的导带能带图。(c)实际测得的光信号在零时 刻探测过程开始，信号随时间不断增加，直至饱和。图7—种实施例。采用金属孔阵列与多量子阱结构耦合，通过测量其纵向电输运性质 进行光子探测。
图8—种实施例。采用金属孔阵列与多量子阱层结构耦合，量子阱中包含自组织生长 的量子点结构，并且在金属孔阵列结构表面上形成ZnSe介质层，通过测量其纵向电输运 性质进行光子探测。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，但这些附图和实施例不构成对本发明的限制。
实施例1:
如图1所示，量子阱光子探测器件100，包括半导体GaAs层102，其具有在该半导 体层102 —侧表面104附近的InGaAs/GaAs量子阱层106;以及在半导体表面104上的金 属Au亚波长周期性结构108，见图4a。入射光波110从垂直于半导体表面104和量子阱 层106的方向入射并最终被量子阱层106所吸收，产生表面等离子体波102，其垂直方向 电场分量Ez如114所示。Ez激发量子阱中的子带跃迁(见图3a)，使能量被量子阱所吸收， 从而完成光子探测过程。 实施例2:
如图2所示，在图1结构基础上引入了 Si重掺杂层或布拉格发射镜层120。入射光波 110以偏离法线方向e角度入射。同样在金属Au亚波长周期性结构(图4b)中激发表面等 离子体波，其能量部分被量子阱层吸收；透射部分经重掺杂层或布拉格反射层反射后再次 量子阱层，从而使能量以较高的效率被量子阱层所吸收。 实施例3:
如图6所示，采用图5中的金属微孔阵列结构，周期为4.5微米，微孔边长约2微米， 材料为Au，厚度为100纳米。在量子阱材料上形成探测器结构(图6a)。量子阱材料结构 包含GaAs衬底层、外延缓冲层、双量子阱层(上量子阱层厚度10纳米，为光探测层； 下层50纳米，为沟道层；双量子阱间采用递变组分势垒层)、AlGaAs势垒层及适当的掺 杂、GaAs帽层。继而通过一定的工艺技术形成图6 (a)所示的器件结构，采用AuGeNi 作为源漏极接触材料经适当的工艺处理形成欧姆接触。金属微孔阵列结构108与量子阱层 106耦合后作为沟道层130的光敏浮栅，即量子阱106吸收入射光波IIO后，受激发的电 子隧穿离开量子阱从而改变量子阱的电势，随之沟道130的电导发射变化。利用源132和 漏极134在外电路140作用下可测出光照射引起的信号。
在源漏极间施加固定偏压，并测量电路中的电流。图c示出了实际测得的光信号在零时刻探测过程开始，信号随时间不断增加，直至饱和。对应的探邻U波长为14微米，与 量子阱中基态》第一激发态的子带跃迁能量相吻合，并与金属微孔阵列中[l,O]、 [O,l]等离 子体模式相吻合。
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4:
如图7所示，在Si衬底上外延生长Si/SiGe多量子阱结构(106): Si层20纳米，Sio.85Ge015 层3纳米，重复4周期，并在SiGe层中进行2.5xlO"/cri^的掺杂。然后在表面制备周期为 4.5微米、图4b所示的孔阵列结构，微孔直径0.5微米，采用Ag材料，厚度150纳米。制 备欧姆接触后采用外加电路(140)测量光信号。
入射光波(110)从Si衬底下表面入射，透过Si衬底和多量子阱层(106)后激发金属 层(108)的表面等离子波，量子阱层(106)在表面等离子波的作用下发生子带跃迁吸收 光波能量。受激发空穴载流子在外电场作用下迁移，从而给出可测的光电流信号。 实施例5:
如图8所示，在GaAs衬底上外延生长GaAs/AlGaAs多量子阱结构(106),并在每个 量子阱层中通过自组织方法生长InAs量子点，得到图3e所示的能带导带结构。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，图4c所示，采用A1材料， 厚度50纳米。然后在表面制备ZnSe增透薄膜层(150)。最后，制备欧姆接触，再采用外 加电路(140)测量光信号。
入射光波(110)从增透膜侧表面入射，透过增透膜后激发金属层(108)的表面等离 子波，量子阱层(106)在表面等离子波的作用下发生子带跃迁吸收光波能量。受激发电 子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。
权利要求
1.一种半导体量子阱光子探测器，其特征在于包括半导体层(102)，在该半导体层(102)一侧表面(104)附近有量子阱层(106)，该量子阱层(106)中具有一定的载流子浓度，并至少具有两个能级；一金属层(108)，在半导体一侧表面(104)上，该金属层中具有亚波长孔周期性结构；一入射光波(110)，在垂直于半导体一侧表面(104)和量子阱层(106)的方向上，从金属层(108)正面或半导体层(102)的另一侧表面入射，并最终被量子阱层(106)所吸收。
2. 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于所述半导体层(102) 中的量子阱层(106)是单层量子阱层，或者是多层的量子阱、超晶格或量子点层，或者 是其中几种形成的复合结构。
3. 如权利要求2所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于所述量子阱层具有大 于108/cm2的掺杂浓度，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，对应于基态+第一激发态或第二激发态等能级的跃迁，或者为基 态+连续态的跃迁，或者多种子带跃迁同时发生。
4. 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于所述金属层(108)中 的具有亚波长孔周期性阵列结构，其孔形状是圆形、矩形、三角形或其他复杂形状，或这 些形状中几种的复合；阵列按矩形或六角形二维结构进行周期性排列；金属层的材料是对 入射光波(110)吸收很弱的金属，其厚度80nm-600nm,
5. 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于在金属层(108)与半导 体层(102)之间加入有对入射光波(110)透明的Ti、 Cr或NiCr金属薄层；或者在金属 层(108)和半导体层(102)之间引入有介质层
6. 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器件，其特征在于所述入射光波(110) 包含的光子直接入射到金属(108)上，并在其上和/或下表面形成表面等离子体(112); 或者通过半导体层(102)包括量子阱层(106)后入射到金属(108)上，并在其下和/或 上表面形成表面等离子体(112);形成的等离子体(112)在量子阱层(106)处具有竖直 电场分量(Ez)，该竖直电场能够激发量子阱(106)中的载流子发生子带跃迁，使得能量 被量子阱层(106)所吸收。
7. 如权利要求6所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于在光子探测过程中， 入射光波的波长为中远红外波段。
8、 如权利要求6所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于在光子探测过程中， 入射光波为单波长的窄带或宽带光波，或者是多波段光波进行同时探测。
9、 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于在半导体(102)中弓 入厚度为100纳米至IO微米的重掺杂层或布拉格发射层。
10、 如权利要求1所述的半导体量子阱光子探测器，其特征在于在入射光波(110) 的被入射表面引入有介质层和针对探测波长的增透薄膜。
全文摘要
本发明属于光探测技术领域，具体为一种半导体量子阱光子探测器。该探测器包括一半导体层，在该半导体层一侧表面附近有量子阱层，该量子阱层中具有一定的载流子浓度，并至少具有两个能级；一金属层，在半导体一侧表面上，该金属层中具有亚波长孔周期性结构；一入射光波，在垂直于半导体一侧表面和量子阱层的方向上，从金属层正面或半导体层的另一侧表面入射，并最终被量子阱层所吸收。本发明利用金属亚波长周期性结构进行光耦合，实现量子阱结构对垂直入射光的有效吸收；同时将半导体能带工程技术与金属周期性结构的表面等离子体技术相结合，实现耦合方式的方便调谐和在很宽波长范围内的半导体量子阱光波探测。
文档编号H01L31/111GK101299445SQ20081003921
公开日2008年11月5日 申请日期2008年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者磊 周, 安正华, 沈学础, 陈张海 申请人:复旦大学