专利名称：量子阱长波红外探测器光栅波导微腔的光耦合单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种量子阱长波红外探测器，具体涉及一种量子阱长波红外探测器光 栅波导微腔的光耦合单元。
背景技术：
随着微电子工艺和技术的发展和成熟，量子阱红外探测器越来越备受重视。由于 III-V半导体材料的均勻性好，器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低，因此基于GaAs/AKiaAs 的量子阱红外探测器在当前以大面阵、多色等为特性的第三代红外焦平面技术中将得重要 的应用。在长波探测方面，量子阱红外探测器是传统的碲镉汞红外探测器有力的竞争者之 一，并被普遍看好。然而根据量子力学偶极跃迁定则，只有电矢量垂直于多量子阱生长面的 入射光才能被量子阱吸收，产生光生载流子。对于量子阱红外探测器来说，正入射的光基本 上不能被量子阱吸收，量子效率很低。因此，必须采用适当的光耦合措施来增加量子阱红外 探测的量子效率。目前，人们普遍采用的耦合方式有两种，一、45度角耦合。二、光栅耦合。 第一种耦合方式不适合大面阵的红外探测器的。第二种耦合方式一般能使得量子阱红外探 测器的量子效率达到10% -20%左右。因此，如何改善光栅结构，提高量子阱红外探测器的 耦合效率是量子阱红外探测器急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供基于近场效应的量子阱长波红外探测器光耦合单元，解决量 子阱红外探测器量子效率过低的问题。本发明的设计思路是通过金属光栅耦合在金属界面层产生表面波，利用表面波在 界面处对光场的局域效应，使得垂直于量子阱生长方向上的电矢量强度得到显著的提高， 从而大大提高量子阱红外探测器的光电效率。基于上述设计思路，本发明的技术解决方案是相对于量子阱的下电极层 (GaAs Si掺杂浓度约IX IO17-I X IO18CnT3)而言，在量子阱的下电极层背面沉积金属下电极 层(Au)，同时充当背反射层。在下电极层正面生长如GaAs/AKiaAs典型多量子阱红外探测 器的多量子阱层以及上电极层(GaAs Si掺杂浓度约1 X IO17-I X IO18CnT3)，最后在多量子阱 层上的上电极层上面再沉积、刻蚀金属耦合亚波长结构，同时与掺杂GaAs层一同作为信号 引出的电极层，如附图(1)所示。入射光经过金属光栅结构耦合产生沿着横向传播的表面 波，在量子阱层会形成一系列的类似法布里-珀罗共振模式，表面波在法布里谐振腔中来 回传播过程中被量子阱吸收，从而大大提高了量子阱红外探测器的耦合效率。本发明还包括光耦合单元结构参数确定的方法。本发明基于金属表面等离子体近场效应和微带天线理论，与现有器件相比有着如 下优势一、利用金属近场效应使得电场强度大大增加，从而提高了量子阱的吸收效率。二、 采用微带天线的结构，使得电场在纵向方向有着很好的均勻性，克服了表面等离子电场强 度沿界面指数衰减导致的近场效应不能充分利用的问题。三、采用阵列结构，克服了微带天线结构入射光耦合效率过低的问题。四、本器件结构在工艺上是可实现，便于做大规模阵 列。
图1为本发明的器件结构示意图。图2为入射光的反射率图。图3为本征腔模的模拟计算场强分布图。图4入射光栅厚度随着电导率变化关系图。图5入射光栅刻槽宽度随着电导率的变化关系图。图6器件的响应图；注R 反射率；Ax 电场的X分量导致的吸收，= I \jxExdv ；
Az =- \J Edv ；Az 电场的Z分量导致的吸收， 2JAxAz:总的吸收。
具体实施例方式实施例1 工作波长为λ = 14. 5 μ m的多量子阱长波红外探测器光耦合单元的设 计，如附图(1)所示。1、根据参考文献[1]计算整个介质层的各层的折射率(介质层为金属光栅和金属 背反射层之间所有介质)
权利要求
1.一种量子阱长波红外探测器光栅波导微腔的光耦合单元，它由在量子阱的下电极 N-GaAs层背面沉积的金属反射层和上电极N-GaAs层上面沉积、刻蚀的金属耦合亚波长结 构构成，其特征在于所述的金属反射层为金属金反射层；所述的金属耦合亚波长结构是 金属光栅结构。
2.根据利要求1所述的一种新型量子阱长波红外探测光耦合单元，其特征在于所述 的金属光栅结构采用金属金制成，光栅结构参数的确定方法步骤如下(1)计算介质层为金属光栅至金属背反射层之间所有介质层各层的折射率；(2)根据介质层各层的厚度得到各层所在的比例，根据各层的比例利用等效折射率模 型得到整个介质层的等效折射率；(3)根据等效折射率η代入下面公式得到考虑刻槽后最终的有效折射率nf
全文摘要
本发明公开了一种量子阱长波红外探测器光栅波导微腔的光耦合单元。其结构特点是采用金属背反射层、介质层、金属光栅的夹层结构。这种光耦合结构有如下优点一、采用金属的阵列结构提高了入射光的耦合效率。二、光场被局域在金属光栅层和金属背反射层之间的微小空间内传播，从而大大提高了量子阱层的电场强度。三、采用类似于微带天线结构使得垂直电场分量在纵向方向上具有很好的均匀性。四、金属结构不仅是光耦合单元，同时还充当上下电极。五、易于制备，适合做大面阵光敏元。
文档编号H01L31/101GK102136519SQ20101056441
公开日2011年7月27日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者俞立明, 张波, 李天信, 李宁, 李志锋, 王健, 王少伟, 王旺平, 陆卫, 陈平平, 陈效双 申请人:上海中科高等研究院, 中国科学院上海技术物理研究所, 阿旺赛镀膜技术(上海)有限公司