[发明专利]双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅。

背景技术

量子阱红外探测器是红外技术的关键器件，特别是双色量子阱红外探测器，已成为近年来探测器方面研究的焦点之一，集成大面积、低成本的红外焦平面凝视系统，广泛应用于军事、气象、航天、医疗等技术领域。

量子阱红外探测器的原理是利用不同带隙的半导体材料交替生长形成量子阱结构，并利用量子阱的子带跃迁实现光电吸收转换。根据量子阱子带跃迁的选择定则，只有电场方向平行于量子阱生长方向的光波才能激发子带跃迁，而探测器主要应用在正入射条件，如何实现入射光的耦合就成为QWIP研制的关键。

根据文献1：“G..Hasnain，B.F.Levine，C.G.Bethea，R.A.Logan，J.Walker，and R.J.Malik，Appl.Phys.Lett.，1989(54)：2515”、文献2：“G.Sarusi，B.F.Levine  ，S.J.Pearton，K.M.S.Banadara，and R.E.Leibenguth，Appl.Phys.Lett.，1994(64)：960”、文献3：“C.J.Chen，K.K.Choi，M.Z.Tidrow andD.C.Tsui，Appl.Phys.Lett.，1996(68)：1446”中公开报道的方法，利用45°角斜入射、二维光栅、漫反射光栅、波纹耦合等多种耦合方式都可以实现改变光波电磁场偏振方向。但是考虑到有利于红外焦平面探测器面阵的光电集成和工艺实现，选择二维光栅的方案是较为优越的。

随着现代半导体工艺技术的迅速成熟，仅仅吸收单一波长的单色红外半导体探测器器件和面阵，已经满足不了人们的各种应用对器件集成度和功能更高更多的要求，特别是军事、医学、航空航天应用上，需要实现多波段窗口、多目标的红外探测，就需要集成度更高的双色、甚至是多色的红外探测器阵列。

在国际上，2003年美国的国家航空和宇宙航行局戈达德空间飞行中心(NASA Goddard Space Flight Center)、喷气推进实验所(Jet PropulsionLaboratory，JPL)和国防研究实验室(Army Research Lab，ARL)已经联合研制出四色焦平面阵列。同年，德国的国际宇航联合会(InternationalAstronautical Federation，IAF)也研制出同时探测中波和长波信号的双色量子阱红外探测器阵列。

2005年，文献4：“S.D.Gunapala，S.V.Bandara，J.K.Liu，et al.，Semicond.Sci.Technol.2005(20)：473”已经报道了1024×1024象素双色红外焦平面阵列的结果。

国内在这方面的研究起步较晚，水平与国际上也有较大差距。因为要制作大面积的双色探测器面阵存在着很多挑战：一方面是双色红外探测器在不同波段的量子阱材料生长上存在温度差别等一系列问题；另一方面是不同波长的面阵光栅的制作存在光刻刻蚀精度、深度控制等一系列问题。

因此，要实现大面积的双色红外量子阱探测器阵列，除了必须进一步寻找合适的材料生长条件之外，还必须优化器件光栅的设计和制作。同时，光子晶体对光场的调制也渐渐引起了人们的注意，如果将光子晶体结构设计在二维光栅上，将有利于优化探测器的光栅设计，并简化光栅制作的工艺，提高器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双色红外量子阱焦平面探测器顶部的光子晶体光栅结构，解决双色红外量子阱焦平面探测器顶部光栅的设计与制作问题，达到同时实现对两种被探测波段的较高耦合效率的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种双色红外量子阱探测器顶部的光子晶体光栅，该光子晶体光栅包括一二维光子晶体结构和一金属盖层；其中，所述二维光子晶体结构采用在双色半导体量子阱探测器顶部半导体材料上刻蚀的圆孔，且孔内填充与顶部金属盖层相同的材料；所述金属盖层覆盖在所述二维光子晶体结构上；其中，双色量子阱红外探测器工作点为中波5μm/长波8μm，采用周期Λ＝3μm、占空比为r/Λ＝0.4、深度h＝0.6μm的圆孔三角晶格光子晶体结构作为光栅，r代表光子晶体圆孔半径。

上述方案中，所述二维光子晶体结构是三角晶格排列。

上述方案中，所述双色半导体量子阱探测器采用背入射探测模式。