[发明专利]一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器。

背景技术

量子阱探测器是一种工作在中远红外、太赫兹频段的重要探测器。太赫兹量子阱探测器是太赫兹频段具有重要应用前景的光子型探测器，具有灵敏度高、探测速度快和窄带响应等特点。这种探测器的主要结构包括上接触层、多量子阱层和下接触层。量子阱数在10～100之间，在量子阱生长方向上，器件的厚度在2.0～5.0μm之间。通过掺杂在量子阱中引入束缚电子，由于抛物线形的能量色散关系，这些束缚电子仅能吸收在量子阱生长方向上有电场分量的光子，实现从束缚态到连续态或准连续态的跃迁，这就是太赫兹量子阱探测器的极性选择定则。器件工作时在上下接触层之间施加偏压(具体数值视量子阱数量及工作波长确定)，如果有符合量子阱探测器极性选择定则的光入射，束缚电子跃迁到连续态或准连续态，在外加偏压作用下形成光电流，实现光-电信号的转化。对于正入射的光(入射光方向与量子阱生长方向一致)，不会引起束缚电子的跃迁，无法形成光电流。因此，通常要改变入射光的方向或选择能够改变入射光极化方向的耦合方法。

由于太赫兹量子阱探测器是基于子带间跃迁的单极器件，需要采用特殊的光耦合方式以获得符合子带跃迁选择定则的入射光。对于太赫兹量子阱探测器单元器件来说，45度角入射的方式能够实现光耦合，具体做法是在器件侧面连同承载器件的衬底，研磨出与器件生长方向成45度角的镜面，使入射光垂直这一镜面入射，以获得量子阱生长方向上的电场分量。然而，对45度角入射光耦合方式来说，只有占总入射能量25％的光有可能被利用。

因此，提供一种高子带吸收效率，高响应率和高工作温度的太赫兹量子阱探测器实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，用于解决现有技术中子带吸收效率，响应率和工作温度均较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器，至少包括：半导体衬底；金属反射层，结合于所述半导体衬底；多量子阱结构，包括结合于所述金属反射层的下电极、结合于所述下电极的GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层、以及结合于所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层的上电极；金属光栅，结合于所述多量子阱结构，包括多个间隔排列的金属条；所述金属光栅、多量子阱结构与金属反射层组成法布里-珀罗结构的金属共振微腔。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属反射层的材料为Al、Cu、Au、Pt或其任意组合的合金。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属光栅的周期为10～30μm，所述金属条的宽度为5～15μm。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述多量子阱结构的厚度为2～10μm。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱叠层中，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的数量为10～40个，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱的宽度为10～20nm，所述GaAs/(Al，Ga)As量子阱中Al的摩尔比为1％～5％。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述金属光栅的厚度为0.2～0.8μm。

在本发明的金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器中，所述上、下电极均为n型掺杂的n-GaAs层，电子掺杂浓度为1.0×10¹⁷～5.0×10¹⁷/cm³。

作为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的一个优选方案，所述金属共振微腔为0级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为6.5μm，所述多量子阱结构的厚度为2μm。

作为本发明金属微腔光耦合太赫兹量子阱光子探测器的一个优选方案，所述金属共振微腔为1级法布里-珀罗共振模，其中，所述金属光栅的周期为20μm，所述金属条的宽度为8μm，所述多量子阱结构的厚度为6μm。