本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光波探测
，具体涉及一种半导体量子阱探测器件。
技术介绍
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，本专利技术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，本专利技术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 wellinfrared photodetectors， Mater, Sci. Eng., R. Vol.28, page 65, 2000. [2]. A. Rogalski, Quantum well photoconductors in infrared detector technology, J. Appl. Phys.Vol.93，page 4355,2003. [3]. J. Homoda， Surface Plasmon Resonance Based Sensors, Springer, ISSN 1612-7617. [4].D.Wasserman, et al, Midinfrared doping-tunable extraordinary transmission fromsub-wavelength gratings, Appl. Phys. Lett.， Vol.90, 191102, 2007.[5].Method for optimizing QWIP grating depth, US专利6,172,379。.Polarization-sensitive corrugated quantum well infrared photodetector array, US 专禾U6,410,917。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，使得本专利技术所涉及的光波探 测元件可以根据探测应用的需要，灵活地设计器件的结构。本专利技术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，本专利技术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<formula>formula see original document page 5</formula>(1)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，本专利技术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，或本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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80n...
【专利技术属性】
技术研发人员：安正华，周磊，陈张海，沈学础，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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