導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測(cè)器研究

余昊楠 曹全君 唐偉偉 王林

摘要：????? 提出一種基于全介質(zhì)導(dǎo)模共振增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器性能的方法， 在7.5～9.0 μm電磁波譜范圍內(nèi)， 利用導(dǎo)模共振， 在量子阱層形成波導(dǎo)模式和光場(chǎng)局域。 該結(jié)構(gòu)的損耗很低， 使得量子阱激活層內(nèi)的光子壽命很長(zhǎng)， 極大地增強(qiáng)了量子阱材料的吸收。 通過優(yōu)化器件參數(shù)， 量子阱的吸收可達(dá)95%， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于金屬等離激元原理增強(qiáng)量子阱器件的吸收。 且該探測(cè)器對(duì)制作工藝有很高的容忍度。

關(guān)鍵詞：???? 量子阱; 導(dǎo)模共振; 增強(qiáng)吸收; 紅外探測(cè)器

中圖分類號(hào)：??? ?TJ760; V248.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2019）03-0067-05[SQ0]

0引言

工作在8～10 μm的中紅外探測(cè)器在夜間探測(cè)、 軍事偵察和環(huán)境監(jiān)測(cè)中都有著非常重要的作用。 以碲鎘汞（MCT）為代表的光子探測(cè)器是目前應(yīng)用最廣泛的器件之一， 其可以通過調(diào)節(jié)汞的組分調(diào)節(jié)材料的帶隙， 實(shí)現(xiàn)探測(cè)波長(zhǎng)可調(diào)， 但是碲鎘汞材料大面積制備困難， 均勻性不高限制了其朝焦平面方向發(fā)展， 對(duì)于更長(zhǎng)的波段， 需要更高組分的汞， 使得制備過程中， 出現(xiàn)大量的汞空位缺陷， 材料制備更困難[1-3]。 而量子阱材料由于吸收的光子能量對(duì)應(yīng)于紅外波段， 并且基于GaAs材料的MOCVD生長(zhǎng)工藝非常成熟， 該工藝可以獲得大面積均勻的GaAs材料并嚴(yán)格控制其組分[4-11]， 可以與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體焦平面工藝兼容， 因此在紅外探測(cè)領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景。

基于此， 研究者們?cè)O(shè)計(jì)了許多增強(qiáng)量子阱吸收的結(jié)構(gòu)， 如45°角入射， 這種設(shè)計(jì)只適用于單元器件， 對(duì)于焦平面器件， 由于多個(gè)探測(cè)單元集成在同一襯底上， 所以無(wú)法采用磨角的方法; 金屬表面等離激元結(jié)構(gòu)[12-21]， 具體來(lái)說， 有近場(chǎng)效應(yīng)和耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 這兩種結(jié)構(gòu)雖然能增強(qiáng)量子阱的吸收， 但是金屬材料本身會(huì)引入額外的歐姆損耗， 從而限制了量子阱材料對(duì)電磁波的吸收; 還有基于光子晶體耦合電磁波增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器性能的方法， 但該方法的制作工藝很復(fù)雜[22]。 本文設(shè)計(jì)了基于全介質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)模共振增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器性能的方法， 該方法工藝簡(jiǎn)單， 可實(shí)現(xiàn)量子阱材料對(duì)入射光大于95%的吸收， 極大地增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器的性能。

1器件結(jié)構(gòu)

圖1給出了導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖， 包括一維的GaAs光柵、 低折射率的藍(lán)寶石襯底以及中間層。 中間層包括上電極、 20個(gè)周期的GaAs/Al0.30Ga0.70As層以及下電極。 最上層一維GaAs光柵的周期Λ=5.6 μm， 寬度a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm， 上電極、 下電極的高度分別

圖2給出了導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測(cè)器的紅外吸收譜， 可以看出， 在8.37 μm處接近98%的入射光全部被量子阱吸收。 在該結(jié)構(gòu)中， 量子阱本身超強(qiáng)的吸收來(lái)源于光柵衍射波和量子阱層內(nèi)波導(dǎo)模式的耦合， 當(dāng)介質(zhì)光柵衍射波的波矢與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)相匹配時(shí)， 波導(dǎo)的模式將會(huì)發(fā)生泄漏， 并且與入射電磁波發(fā)生耦合， 如圖3所示。 由圖3可知在共振處（8.37 μm）的電場(chǎng)z分量的分布。 入射電場(chǎng)為TM波， 只含有Ex分量， 但是由于光柵的作用， 使得耦合到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的電場(chǎng)有很強(qiáng)的Ez分量， 并且局域在量子阱層內(nèi)， 增強(qiáng)了量子阱材料與電場(chǎng)的相互作用， 從而提高了量子阱紅外探測(cè)器的性能。 與之前基于金屬表面等離激元增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器性能的結(jié)構(gòu)相比， 量子阱材料的吸收增強(qiáng)了3倍 [21]， 這主要是由于基于金屬表面等離激元效應(yīng)會(huì)額外引入金屬的歐姆損耗， 從而限制了量子阱材料吸收。

由于子帶間躍遷選擇定則的限制， 量子阱材料只能吸收沿著其生長(zhǎng)方向的電磁波分量， 即只有Ez才能對(duì)子帶躍遷有貢獻(xiàn)， 定義在xoy面內(nèi)的Ez2的平均增強(qiáng)因子：

其中： Ez和E0分別代表波導(dǎo)層內(nèi)電場(chǎng)的z分量和入射電場(chǎng)的值。 導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測(cè)器中F因子與介質(zhì)光柵距離s之間的關(guān)系如圖4所示。 從圖中可以看出， 平均的Ez2增強(qiáng)主要分布在激活層的中間區(qū)域， 這對(duì)于器件的制作工藝非常有幫助。 而對(duì)表面等離子體波來(lái)說， 由于其電場(chǎng)沿著界面指數(shù)衰減， 所以必須把量子阱激活層放在距離金屬超材料很近的位置附近。 在該結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)光柵周期Λ=5.6 μm， 線寬a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm時(shí)， 探測(cè)器的光耦合效率η=5.07， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于45°斜角入射的情況（η=0.5）， 表明基于導(dǎo)模共振集成量子阱紅外探測(cè)器的性能得到了很大的提高。

由于利用導(dǎo)模共振增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器的性能主要是基于衍射波與波導(dǎo)模式的耦合， 在量子阱激活層內(nèi)形成強(qiáng)的電場(chǎng)局域， 從而增強(qiáng)量子阱的吸收， 所以可以通過調(diào)節(jié)介質(zhì)光柵的周期來(lái)調(diào)節(jié)量子阱紅外探測(cè)器的共振位置， 如圖5所示。

當(dāng)保持該結(jié)構(gòu)中的其他參數(shù)不變時(shí)， 光柵周期增大時(shí)， 共振波長(zhǎng)增大， 這是由于在量子阱層形成波導(dǎo)共振必須滿足的條件：

最后研究了該探測(cè)器對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的容忍度。 該結(jié)構(gòu)中量子阱激活層的厚度對(duì)共振和吸收的影響如圖6所示。

從圖中可以看出， 保持波導(dǎo)層的厚度不變， 量子阱激活層厚度從0.5 μm變化到2.2 μm時(shí)， 量子阱材料的吸收基本保持不變， 理論上說， 吸收率會(huì)隨著吸收層厚度增加而增加， 但是也會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)Q因子的降低， 使得吸收減弱。 由此可見， 正是由于吸收層厚度與結(jié)構(gòu)Q因子之間的權(quán)衡， 才導(dǎo)致該探測(cè)器對(duì)激活層厚度有很高的容忍度。 除此之外， 在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中， 很難制作出完全理想的光柵結(jié)構(gòu)， 特別是嚴(yán)格控制光柵的高度和寬度， 因此， 模擬了該探測(cè)器的性能隨光柵的高度和寬度的容忍度特性， 如圖7所示。

從圖中可以看出， 保持其他參數(shù)不變， 當(dāng)光柵的高度從1.8 μm變化到2.4 μm時(shí)， 共振波長(zhǎng)和量子阱的吸收基本保持不變， 當(dāng)光柵的寬度從4 μm變化到4.5 μm時(shí)， 量子阱的吸收也基本保持不變， 共振波長(zhǎng)也只有很小范圍的紅移， 這是由于該一維介質(zhì)光柵占空比的變化導(dǎo)致波導(dǎo)上層有效折射率的變化而引起的。 光柵層有效折射率與占空比之間的關(guān)系為

3總結(jié)

本文研究了基于導(dǎo)模共振增強(qiáng)量子阱紅外探測(cè)器的方法， 在該結(jié)構(gòu)中， 量子阱本身超強(qiáng)的吸收來(lái)源于光柵衍射波和量子阱層內(nèi)波導(dǎo)模式的耦合， 在量子阱激活層內(nèi)形成強(qiáng)的電場(chǎng)局域， 并且該結(jié)構(gòu)由于避免了金屬的歐姆損耗， 使得該探測(cè)器Q因子很高， 提高了局域光子在量子阱層的壽命， 從而使得量子阱本身的吸收最大可達(dá)95%以上。 當(dāng)其他參數(shù)保持不變時(shí)， 導(dǎo)模的共振特性隨著光柵周期的增大而增大， 從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該探測(cè)器共振位置的調(diào)節(jié)。 另外， 考慮到工藝的影響， 模擬了光柵的參數(shù)對(duì)該探測(cè)器性能的影響， 發(fā)現(xiàn)光柵高度和寬度在器件的制作工藝上都有500 nm的容忍度， 極大地簡(jiǎn)化了器件的制作工藝。

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