[發明專利]基于Plasmon增強的量子阱紅外探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110080969.0
• 申請日: 2011-04-01
• 公開（公告）號: CN102185002A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 李海軍;劉冬;楊樂臣;付凱;王逸群
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;H01L31/18
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技術領域

本發明涉及紅外光探測器領域，特別涉及一種基于Plasmon增強的量子阱紅外探測器及其制備方法。

背景技術

量子阱紅外探測器(Quantum?Well?Infrared?Photodetector-QWIP)可以通過改變勢阱寬度和勢壘高度對帶隙寬度進行人工裁剪，實現響應波長的可控。并且以其材料生長和制備工藝成熟，易于大面陣集成、穩定性好、器件均勻性好、可操作像元數高、產量高、成本低、探測器光譜響應帶寬窄、不同波段之間光學串音小、容易實現雙色或多色焦平面器件、抗輻射及器件工藝大部分可以和HgCdTe紅外焦平面探測器兼容等優點，在國防探測、礦物資源探測、森林防火、工業監控及醫療衛生等領域有廣泛的應用前景，成為近年來紅外探測器領域研究的熱點。GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN材料體系的多量子阱紅外探測器是近些年來發展起來的新一代紅外探測器，因其在材料生長、探測波段和器件性能等方面的技術優勢，正成為研究和應用領域的熱點。然而受到紅外量子阱子帶躍遷選擇定則的限制，垂直于量子阱材料的入射光子不能激發QWIP量子阱層中的基態電子躍遷。通過一定的耦合方式，使入射光通過折射或衍射等方式來產生平行于量子阱方向的光分量，從而將光子能量耦合到量子阱層，常見的耦合方式有一維光柵耦合、45°磨角耦合、無序光柵及波紋耦合等。通過比較發現，45°磨角耦合的方法簡單但耦合效率較低，適合對生長材料探測峰值的測定；而波紋耦合和無序光柵的結構制作在工藝上難于控制。在一維光柵的基礎上，將周期結構拓展到二維空間，得到了耦合效率更高的二維光柵結構。同時，二維光柵結構也是更適合大面積焦平面紅外量子阱探測器的光柵耦合形式。傳統二維光柵耦合方式利用入射光在光柵結構處的折射和衍射等方式來獲得平行于量子阱生長方向上的電場強度，其耦合效率仍然較低。而表面等離子體激元增強作用下的二維金屬光柵結構可以在光柵表面形成金屬自由電子和入射光子的耦合共振波，即沿著金屬和介質界面傳播的表面等離子波，其電場方向平行于量子阱的生長方向，且在近場范圍內有很強的增強性，而量子阱的位置正處于近場增強范圍，所以量子阱不僅可以吸收到光子，而且光強大大增強。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于表面等離子體激元近場增強效應耦合光柵的量子阱紅外探測器及其制備方法。

這種新型的光柵耦合方式可以使更多的光子在金屬光柵表面被捕獲，并在滿足一定的條件下可以與金屬表面的自由電子發生共振，形成沿著金屬表面傳播的電子疏密波即表面等離子體激元(Plasmon)。表面等離子體激元將能量束縛在金屬表面，在近場范圍內可以增強平行于量子阱材料生長方向上的的電場強度，從而提高多量子阱層的電子躍遷幾率。平坦的金屬表面無法產生表面等離子體激元共振，這是由材料的色散關系決定的。入射光在介質中傳播的波矢與表面等離子體波的波矢不匹配，不能滿足動量守恒定律，無法實現入射光波與表面等離子體激元的能量耦合。我們可以通過制作表面周期性結構來引入額外的波矢來滿足表面等離子體激元的激發條件，實現能量的局域增強作用。為此，我們需要將金屬膜做成周期變化的二維光柵結構即形成金屬光柵來實現對入射光的耦合增強。

此外，表面等離子體增強型二維光柵耦合的方式還可以起到對入射光進行濾波選頻的作用，通過合理設計光柵陣列的尺寸、形狀、周期、以及排列方式等結構參數實現對探測波段的選擇透過，有效降低其他波段入射光帶來的噪聲信號，降低器件的暗電流。

本發明的第一個目的是通過以下技術方案實現的：

基于Plasmon增強的量子阱紅外探測器，其包括：一SI-GaAs襯底；一位于所述襯底上的AlAs緩沖層；一位于所述緩沖層上的AlAs:Si下接觸層；一位于所述下接觸層上的多量子阱層；一位于所述多量子阱層上的AlAs:Si上接觸層；一位于所述上接觸層上的金屬薄膜和上電極，所述的金屬薄膜具有的光柵結構，所述的上電極鑲嵌于金屬光柵中；一位于所述下接觸層上并環繞整個所述的金屬薄膜、上接觸層和多量子阱層的環形下電極。

進一步地，所述的金屬薄膜上的光柵結構為圓柱孔陣列。

進一步地，所述的圓柱孔陣列為正三角形排列或正方形排列的。

進一步地，所述的多量子阱層為50個周期的AlGaAs/GaAs。

進一步地，所述的金屬薄膜為120nm厚度的Au、Ag或Al。

本發明的第二個目的是通過以下技術方案實現的：

基于Plasmon增強的量子阱紅外探測器的制備方法，其包括以下步驟：