[发明专利]光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器

说明书

技术领域

本发明涉及长波红外量子阱探测器技术，具体是指一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器。

背景技术

在最近的二十年里，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外探测器的实验室研究和商业开发十分活跃。比起传统的碲镉汞红外探测器，量子阱探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低、对于焦平面列阵探测器而言，这些优点表现的更为明显。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探测器在长波波段应用方面有着相当的前途。但是，根据量子力学跃迁选择定则，只有电矢量垂直于多量子阱生长面的入射光才能被子带中的电子吸收，从基态跃迁到激发态，导致电导率的变化实现器件对红外光的探测。一般情况下，红外辐射垂直于量子阱生长面入射，需要采取一定措施(光耦合)使辐射被探测器吸收。目前，人们普遍采取光栅耦合的方式，但是，这种耦合方式制作出来量子阱探测器响应波段处于一种非常尴尬的境地——既不能满足宽响应波段器件性能的要求，也无法达到特定响应波长的窄带器件性能的要求。

光子晶体是通过各种方法人工地引入周期性介电常数调制，其中介电常数的周期可与光波长相比的一种微型结构。介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式，使得材料中特定频率的光子态密度增加，其它频率的光子态密度减小。为此如果能够利用光子晶体对于光子态调控的特征实现一种超窄带响应的红外探测器是有着重要应用价值的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测器，解决现有光栅耦合量子阱红外探测器响应波段较宽且响应较低的问题，实现一种超窄带光谱响应和高峰值波长响应率的红外探测器。

本发明的基本结构特征是将光子晶体与量子阱红外探测单元相结合，光子晶体作为耦合单元直接嵌套在红外探测单元内。由于在与生长方向垂直的平面内，两个垂直方向上存在类似于二维光栅的周期性重复，该结构首先可以将垂直入射光部分转化为沿水平方向传输，提高量子阱探测单元的量子效率。而且，我们通过光子晶体对光子态的调控，使得处于响应峰位的光子态密度显著增加，而其他响应频率范围的光子态密度降低，从而有效地限制了量子阱探测响应波段宽度，窄化了探测器的响应波段。

基于上述设计思路，本发明的技术解决方案是：在已经生长成的量子阱红外探测器材料上，光刻出周期性圆柱状凹槽阵列，凹槽深度到达周期多量子阱层内，如附图1、2、3所示。并在凹槽部分沉积上二氧化硅介质，已然生长的GaAs/AlGaAs材料与二氧化硅介质材料介电常数不同，这样周期性介电常数的调制在量子阱单元内部形成光子晶体，实现对垂直入射光的波长选择性耦合。

器件结构按如下方法确定：

晶格常数a_x、a_y和圆柱孔直径D，可以根据二氧化硅和GaAs/AlGaAs材料的介电常数，及所选择的特定响应波长λ的需要进行调节，其量级为微米。

晶格常数：a_x＝a_y＝λ/3μm。

介质圆柱的直径：D＝0.4a_xμm。

介质圆柱孔洞的刻蚀深度：T₁＜H＜T₂，其中T₁为发射极n型掺杂GaAs层(1)和Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)的厚度之和，T₂为发射极n型掺杂GaAs层(1)、Al_0.15Ga_0.85As势垒层(2)以及多量子阱层(3)的厚度之和。

本发明使用光子晶体作为量子阱红外探测单元光耦合元件的优点集中表现在相对于二维光栅性能的加强和提升上。光子晶体光耦合一方面具备并且提高了二维光栅部分改变入射光方向到平行于量子阱平面的能力，另一方面由于光子晶体对光子态的调控，增强特定波长入射光在材料中的态密度，并抑制其它波长入射光在材料中的态密度，实现窄波段探测性能。

附图说明

图1为本发明的光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元结构示意图；

图中：6——圆柱状二氧化硅介质填充。

图2为本发明光子晶体耦合窄带响应量子阱红外探测单元的顶视图。

图3为本发明图2箭头所示剖面处的侧视图；

图中：1——上发射极n型掺杂GaAs层；

2——Al_0.15Ga_0.85As势垒层；

3——多量子阱层；