[发明专利]一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构及其制作方法

说明书

本发明涉及一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构及其制作方法，其中，所述耦合结构包括：多个呈阵列分布的微腔单元以及一位于所述微腔单元下方的衬底，其中，每个所述微腔单元包括：一上金属电极，以及一设置在所述上金属电极的下表面上的所述量子阱探测器中的外延层，该外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，该下金属电极板设置在所述衬底的上表面上。本发明不仅可以实现光的正入射耦合，有效提高量子阱对光的吸收效率，降低量子阱探测器的暗电流，提高其工作温度，而且可以达到微腔内电场增强的效果，提高量子阱探测器的光耦合效率。

技术领域

本发明涉及一种半导体光子探测器，尤其涉及一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构及其制作方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率从100GHz到10THz，相应波长在3mm到30μm范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。THz波在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，其长波端与亚毫米波相重合，而短波端与远红外波段相重合，THz波技术在信息通信技术领域、生物医学、太空探测以及全球性环境检测领域都具有非常广泛的应用潜力。然而，由于缺乏有效的辐射源和探测器，对THz波段的研究和应用发展还处于初期起步的阶段。因此，THz技术应用发展的关键在于制作经济、高效的辐射源和探测器。

THz探测器是太赫兹技术应用的核心部件。按照探测的原理可以分为热探测器和光子型探测器两大类。常见的THz热探测器主要包括：Golay cell、焦热电探测器、硅Bolometer探测器等。常见的THz光子探测器主要包括：掺杂高纯硅、锗的半导体低温探测器、肖特基二极管和高迁移率晶体管等离子体波THz常温探测器、基于子带间跃迁的太赫兹量子阱探测器(THz Quantum-Well Photodetectors,THz QWPs)以及太赫兹量子点探测器(THz Quantum-Dot Photodetectors,THz QDPs)。与热探测器相比，THz光子探测器通常具备很高的探测灵敏度和快速响应能力，在很多应用中光子探测器都优于热探测器。而与其他的THz光子探测器相比，THz QWPs具有与光子作用截面大、探测灵敏度高、损伤阈值大、响应速度快、线性响应范围宽、响应频段可按需设计、材料生长和器件制备工艺成熟、可制备大规模成像阵列等优点。

THz QWPs是红外探测器(QWIPs)在THz频段的自然扩展，因此其响应的物理机制与红外波段的QWIPs相同。如图1所示，现有技术中常用的中红外及THz QWPs的结构包括：GaAs衬底1’、由下至上依次设置在GaAs衬底1’上表面的下接触层2’、有源区3’和上接触层4’、设置在GaAs衬底1’上表面并位于下接触层2’两侧的下电极5’以及设置在上接触层4’上表面的上电极6’，其中，有源区3’由GaAs/Al_xGa_1-xAs多量子阱周期结构构成，位于量子阱中的束缚电子吸收THz光子后跃迁到连续态，在外加偏压下形成光电流，通过测量和分析光电流的变化从而完成对THz波的探测。

由此可见，较低的子带间吸收效率是制约THz QWPs性能的关键因素。光耦合方式的改善是获取THz QWPs更好性能的关键因素。由于QWPs的光吸收源于子带间跃迁，子带间跃迁选择定则决定了THz QWPs对正入射的光无响应。近些年，人们将新的光耦合机制引入到QWPs器件中，这些新的耦合方式不仅能像光栅一样改变光的偏振方向，也可以改变探测器有源区光的状态密度，使我们可以设计制作出更高效的探测器件。

目前，THz QWPs常用的两种耦合方式为：45°斜面抛光衬底耦合及金属散射光栅耦合，其中，45°斜面抛光衬底耦合机制不能实现光的正入射(如图1所示，GaAs衬底1’需要进行45°斜面抛光，入射光需要从该45°斜面入射)，也不利于器件集成，光栅耦合虽然可以实现光的正入射耦合，但在器件性能上没有太大的提升。

综上所述，研究高效的光耦合结构对于提高THz QWPs的响应率和工作温度等性能具有非常重要的意义。