專利名稱：一種半導體量子阱光探測器件的制作方法
技術領域：
本發明屬于光波探測器技術領域，具體涉及一種半導體量子阱光探測器件。
背景技術：
采用量子阱結構的器件進行光探測，是中遠紅外波段光探測的主要技術之一。然而，一方面，半導體量子阱結構的光波吸收受該領域廣泛認知的“極化選擇定律”的限制，即量子阱只能吸收與量子阱平面垂直的電場分量的光波，而在實際應用中對于直接垂直入射光波吸收極小，如參見文獻I。因而實際的器件必須結合傾角入射(如文獻2)、光柵耦合(如文獻3)或刻蝕槽結構(如文獻4)等復雜的工藝處理。這些方法不僅增加了工藝的難度、降低了產率，同時還限制了器件的適用領域和性能。為克服這一問題，采用具有周期性金屬孔結構作為光波耦合結構，實現了量子阱結構對垂直入射光波的有效吸收(文獻5)，這主要利 用的是被稱之為“表面等離激元”的光學技術，它能夠將垂直入射的光轉變為沿金屬表面傳播的電磁波模式(如文獻6)。已經公開的利用周期性金屬孔結構作為量子阱光探測器的光耦合器件的技術中，主要應用的是一層金屬的孔陣列結構，入射光從金屬層一側入射，這種耦合器件雖然相對早期的斜角入射、光柵耦合等效率均有一定提高，但效率仍然較低(吸收率7-10%，如文獻7);同時，也無法實現多個表面等離子體模式與半導體中特征頻率的耦合。為克服這兩個問題，本發明將成熟的半導體能帶工程技術與周期性金屬孔結構的表面等離子體技術相結合，利用兩者良好的靈活性，實現量子阱中電子對光波的吸收效率。本發明中的半導體量子阱光探測器吸收效率比從金屬層入射的半導體量子阱光探測器吸收效率(如文獻8)提高約9倍。參考文獻
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發明內容
本發明的目的在于提供一種結構設計靈活、探測性能高、制備工藝簡單的半導體量子阱光探測器件，以滿足對垂直入射光波、傾角入射光波進行光波探測應用的需要。本發明提供的半導體量子阱光探測器件，包括
半導體層，在該半導體層一側表面內側附近有量子阱層，量子阱層中具有一定的載流子濃度(濃度一般IO15-IO1Vcm3),并至少具有兩個能級。金屬層，該金屬層在半導體表面上，并具有亞波長周期性金屬孔結構；
入射光波，該入射光波在垂直于半導體表面和量子講層平面的方向上，或者在與垂直方向成一傾斜角的方向上，從半導體層一側入射并最終被量子阱層所吸收。
本發明中，所述半導體層中的量子阱層可以是單層量子阱層，也可以是多層量子阱結構。本發明中，所述量子阱層具有摻雜濃度1015-1018/Cm3，使得量子阱中基態能級具有足夠的載流子數，當載流子吸收光波能量時可發生子帶躍遷。本發明中，所述金屬層上的周期性金屬孔結構為圓形孔陣列結構，或者為十字孔陣列結構、矩形孔陣列結構、三角形孔陣列結構、圓環孔陣列結構或工形孔陣列結構等。本發明中，所述金屬層上的周期性金屬孔陣列可按照正方形、矩形、平行四邊形、正三角、倒三角等方式排列。本發明中，所述金屬層上的周期性結構可以雙端口的周期性金屬孔結構，也可以是單端口的周期性金屬孔結構。單端口的周期性金屬孔結構可調節孔的深度，在很大范圍內改變周期性孔結構的共振波長。本發明中，所述入射光波包含的光子可以穿過半導體層入射到金屬層上并在其上表面和/或下表面形成表面等離子體；形成的等離子體在量子阱層處具有較大的豎直電場分量(Ez)，從而激發量子阱中的載流子發生子帶躍遷，使得能量被量子阱層所吸收。本發明涉及的光波探測元件，具有金屬周期性結構，其表面等離子體模式可以通過金屬周期性結構的設計進行方便的調節；量子阱結構與金屬周期性結構之間距離較小，使得金屬結構中表面等離子體與量子阱中子帶躍遷具有足夠的耦合強度，耦合的頻率匹配程度和單頻或多頻匹配由探測元件的性能需要決定，并通過量子阱和金屬的結構優化設計來實現。本發明中量子阱層具有合適的摻雜濃度(一般為IO15-IO1Vcm3)，量子阱子帶能級中基態存在足夠的載流子濃度，在光激發情況下，可發生從基態至一個或多個激發態的子帶躍遷。這繼承了半導體結構設計的靈活性以及成熟的工藝技術，使得本發明所涉及的光波探測元件可以根據探測應用的需要，靈活地設計器件的結構。本發明所采用的金屬與半導體界面結構，可形成金屬的表面電荷與電磁場的組合振蕩，即表面等離子體波，為一種非輻射狀態的光波，被約束在金屬/電介質(半導體)界面附近。其電場強度隨著遠離界面呈指數衰減，并在金屬/電介質(半導體)界面附近的近場范圍內，電場具有增強作用，當量子阱結構處于界面附近時可以有足夠的吸收強度。同時，在半導體層中，電場的方向以垂直于界面的Z方向為主，這滿足了量子阱結構對光波的極化選擇定律要求。為了使入射光波在金屬/半導體界面激發表面等離子體模式，入射光波和表面等離子體要滿足動量守恒，本發明在金屬層中采用亞波長周期性陣列結構。動量守恒條件要求
權利要求
1.一種半導體量子阱光探測器件(100)，其特征在于包括 半導體層(102)，在該半導體層(102) —側表面(106)內側有量子阱層(104)，量子阱層(104)中具有濃度為IO15-IO1Vcm3的載流子，并至少具有兩個能級； 金屬層(108)，該金屬層(108)在半導體表面(106)上，并具有亞波長周期性金屬孔結構； 入射光波(110)，該入射光波(110)在垂直于半導體表面(106)和量子阱層(104)平面的方向上，或者在與垂直方向成一傾斜角的方向上，從半導體層(102)—側入射并最終被量子阱層(104)所吸收，。
2.如權利要求I所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述半導體層(102)中的量子阱層(104)是單層量子阱層，或者是多層量子阱結構。
3.如權利要求I所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述量子阱層(104)具有摻雜濃度=IO15-IO1Vcm3，使得量子阱中基態能級具有足夠的載流子數，當載流子吸收光波能量時可發生子帶躍遷。
4.如權利要求I所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述金屬層(108)上的周期性金屬孔結構為圓形孔陣列結構，或者為十字孔陣列結構、矩形孔陣列結構、三角形孔陣列結構、圓環孔陣列結構或工形孔陣列結構。
5.如權利要求4所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述金屬層(108)上的周期性金屬孔陣列按照正方形、矩形、平行四邊形、正三角或倒三角方式排列。
6.如權利要求4所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述金屬層(108)上的周期性金屬孔結構為雙端口的，或者為單端口的。
7.如權利要求I所述的半導體量子阱光探測器件，其特征在于，所述入射光波(110)包含的光子穿過半導體層(102)入射到金屬層(108)上并在其上表面和/或下表面形成表面等離子體(112);形成的等離子體(112)在量子阱層(104)處具有較大的豎直電場分量(Ez)，從而激發量子阱(104)中的載流子發生子帶躍遷，使得能量被量子阱層(104)所吸收。
全文摘要
本發明屬于光波探測器技術領域，具體涉及一種半導體量子阱光探測器件。該探測器包括半導體層、量子阱層和一層亞波長周期性結構的金屬膜；量子阱中至少具有兩個能級，并具有一定的載流子濃度。一定頻譜寬度入射光波垂直或傾斜于半導體層入射，入射光波激發周期性結構的金屬膜/量子阱界面的表面等離子體，表面等離子體被半導體量子阱吸收并發生電子子帶躍遷過程，躍遷的電子在外加偏壓下形成電流信號。本發明中的半導體量子阱光探測器件，其探測效率可大幅度提高。
文檔編號H01L31/0232GK102709346SQ20121015111
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者安正華, 王恒亮 申請人:復旦大學