[發明專利]一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應率的優化方法

有效

• 申請號: 201010159044.0
• 申請日: 2010-04-27
• 公開（公告）號: CN101834227A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 張戎;郭旭光;曹俊誠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及一種提高太赫茲量子阱光電探測器工作性能的方法，尤其是一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應率的優化方法。本發明屬于半導體光電器件技術領域。

背景技術

太赫茲(THz)波是指電磁波譜中頻率從100GHz到30THz(1THz＝10¹²Hz)，相應波長從3毫米到10微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區域。長期以來由于缺乏高效的THz源和高靈敏度的檢測手段，使得這一波譜區成為整個電磁波譜中存留的唯一未被充分開發利用的區域。

THz技術應用的核心部件之一是THz探測器。目前發展較為成熟的THz探測器包括廣泛應用于THz時域譜技術的電光晶體探測器；基于LiTaO₃晶體的單元和陣列焦熱電探測器，此類探測器有較高探測靈敏度、寬光譜響應范圍和室溫工作的優點；高靈敏度Si熱釋電探測器；應用于宇宙微波、THz背景輻射觀測的基于低溫超導薄膜的約瑟夫森結和熱電子熱釋電外差THz探測器。基于半導體低維結構的太赫茲量子阱探測器(THzQWP)于2004年研制成功。此探測器的材料體系為GaAs，器件結構包括上電極和下電極，之間有十幾到幾十層GaAs/(Al，Ga)As多量子阱，摻雜的電子被束縛在量子阱中，襯底為半絕緣GaAs。

從工作原理上看，THzQWP是一種子帶間躍遷型(ISBT)探測器，無光照時，電子處于量子阱的束縛態中，在THz光場作用下，量子阱中的電子吸收光場能量，由束縛態躍遷到連續態或準連續態，在外加偏壓的作用下形成光電流，從而實現對THz波的探測。然而根據量子力學，ISBT的選擇定則決定了這種類型的探測器只能夠探測光場中平行于量子阱生長方向(z方向)的偏振分量。這就是說，如果入射光沿著器件的生長方向照射(器件的正面或背面，即通常所說的正入射和背入射)，ISBT不會發生，也不會產生光電流。因此，通常的做法是將光斜入射到器件中，使得入射光場包含平行于量子阱生長方向的偏正分量，比如沿著QWP表面的布魯斯特角方向入射，或者是將QWP的端面磨成45度角，再沿著這個端面入射。

在THz的諸多應用中，與國防安全和醫療診斷相關的一項重要應用是THz實時成像。這就需要將探測器組合成焦平面陣列，入射光須垂直于焦平面。所以對于THzQWP焦平面陣列，以上提到的斜入射方案不再適用，而一般的做法是在器件表面加工一層光柵，將垂直于量子阱生長方向的偏振電場部分轉化為沿平行方向的偏振，以實現正入射情況下的ISBT。因此，研究光柵THzQWP的響應率，提高其工作性能，對THz實時成像的研究和實現具有重要的意義。

發明內容

本發明主要解決的技術問題在于提供一種一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應率的優化方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應率的優化方法，所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器包括器件及器件表面的光柵，包括如下步驟：

1)模擬正入射到器件表面的太赫茲光經過光柵后進入器件發生衍射的光場分布，計算一級衍射模垂直于器件表面方向的波長λ_⊥；

2)根據所述波長λ_⊥優化器件結構：在器件機械性能允許的范圍內減薄器件的襯底，使器件的總厚度L為所述波長λ_⊥的整數倍。

其中，器件的總厚度L不包括光柵的厚度。作為本發明的優選方案之一，步驟1)中采用模式展開法結合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行模擬。

進一步地，步驟1)采用模式展開法結合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行模擬的具體步驟為：將光柵中的光場按TE和TM兩種偏振模式分別展開，將其他區域的光場分布按瑞利模式展開，結合光在多層膜結構中的傳輸矩陣，應用器件外與光柵區、光柵區與器件內兩交界處的邊界條件，聯合求解出所述光場分布。其中，TE和TM分別指橫電波和橫磁波。

作為本發明的優選方案之一，步驟1)中采用計算波長λ_⊥，其中k₀為入射波在真空中的波矢，ε為GaAs的介電函數，θ為一級衍射模衍射角由光柵周期d決定。

作為本發明的優選方案之一，步驟2)中減薄器件的襯底采用研磨、拋光和濕法腐蝕的方法進行。

進一步地，減薄器件的襯底包括以下步驟：首先使用研磨機研磨襯底；然后使用拋光機對襯底拋光，從而使研磨后的襯底表面平整和光滑；最后采用濕法腐蝕襯底，以實現對襯底厚度的精確控制。

作為本發明的優選方案之一，步驟2)優化器件結構時，還包括調整上電極層厚度，使多量子阱位于所述光場分布中的強光場區域。