等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器，該探測器由上層金屬線條形成的金屬光柵層、量子阱紅外光電轉換激活層和下層金屬反射層組成。本發明的優點是：1.利用上層金屬光柵與下層金屬反射層之間等離激元共振所形成的電磁波近場耦合微腔的模式選擇效應，使得能夠進入到微腔的光子以那些能夠與探測波長偏振模式形成共振的光子為主。2.進入到微腔中的光子其電矢量方向在微腔模式的調制下由x方向改變為z方向，能夠被量子阱子帶躍遷吸收形成光電轉換過程。由于以上特點，本發明的偏振耦合結構能夠極大地提高偏振響應的消光比，使探測器具有極高的偏振分辨能力。
【專利說明】等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器
【技術領域】
[0001]本發明涉及具有偏振探測能力的光電探測器，具體是指采用集成在像元上的等離激元微腔耦合結構的線性偏振探測量子阱紅外光電探測器。
【背景技術】
[0002]光的偏振狀態可分為圓偏振狀態和線性偏振(簡稱線偏振)狀態。一般地，對于光的線偏振特性測量是采用在探測器之前放置線性偏振片，通過旋轉偏振片的角度而獲得光電探測器響應的強度隨偏振片角度之間的變化關系，從而獲得入射光的線偏振特性。但該方法需要通過機械旋轉，不能實時地獲得入射光的偏振特性。另外的一種方法是通過分光將入射光線分成3?4路，每個分路上分別放置一塊角度偏差遞增45度的偏振片，再利用3?4個探測器同時測量，通過計算光的Stokes分量并通過數學計算合成獲得實時入射光的偏振狀態及其變化。但這種方法裝置結構復雜，特別是對于偏振成像探測，需要至少3個性能一致的焦平面探測器同時工作在共焦面上，還必須完成圖像的拼接校正才能夠實現偏振探測成像。光學元件裝配中引入的偏差或者是溫度變化時各分路熱脹冷縮的不一致都將影響成像的質量。為了解決這一問題，人們將偏振片集成在探測器像元的表面，使得單個光電探測器的像元只對一種偏振方向的響應最大，而對與之垂直方向的偏振響應最小，然后通過在4個探測器像元上設置4個方向的偏振片，通常是水平、垂直、左傾45度和右傾45度。工作時同時讀取4個像元上的光響應信號，獲得各個方向上的Stokes偏振分量，再通過數學計算來獲知入射光的偏振狀態。這種集成偏振片通常采用在光電探測器像元表面制作周期性的線條柵(簡稱線柵)所形成的一維透射光柵來實現。對于量子阱紅外探測器這類對于正入射光不能直接吸收的光電探測器，則是在其背面制作一維反射光柵，一方面改變入射光的傳播方向，另一方面選擇反射光的偏振狀態，形成偏振選擇性。由于這種集成偏振片是直接將偏振片做在像元上，很容易制作成為焦平面探測器。其中取4個像元分別探測不同的偏振方向，然后合成為一個單一像元的信號，再通過由這樣4元一組周期性重復排列的二維列陣探測器直接輸出成像。盡管這樣做將降低焦平面探測器的空間分辨率，例如原先640 X 512元的探測器，制作偏振片之后實際的等效像元數降低成為160 X 128元，但由于增加了偏振狀態的探測，能夠反映出原先強度圖像中所不具備的偏振信息，相當于增加了一個探測信號的維度，同時仍然能夠保持原先焦平面探測器的實時快速直接成像的能力，因此在醫學中的腫瘤探測、遙感中的地質探測和軍事偵察中的目標探測等方面都有著廣闊的應用前景。
[0003]在這種集成微偏振片結構中，由于探測器像元尺寸的限制，偏振片的尺寸不能超過像元尺寸因而也受到限制，導致一維線柵偏振片的工作條件遠遠偏離理想偏振片的工作狀態，即理想的偏振片工作狀態要求線柵在長度方向上的尺寸遠遠大于線柵的周期并大于入射光斑直徑。因此，當集成微偏振片針對某種偏振狀態形成最佳透射條件時，與之垂直方向上的偏振光也能夠通過像元邊緣耦合等方式透過偏振片，在探測器像元中引起光電響應。這樣就降低了集成偏振片的偏振選擇度，相應地降低了偏振探測器的消光比(定義為橫磁TM偏振光響應與橫電TE偏振光響應之間的比值，表示成消光比P =Rtm/Rte, Rtm、Rte分別是探測器對于TM偏振光和TE偏振光的響應)。
[0004]此外，在可見光波段偏振片可以采用有機大分子的線狀排列來制作一維透射光柵。這種大分子的線狀排列具有制作簡單、價格低廉的特點。然而在紅外波段特別是在中紅外波段(400-40000^1，2.5-25 μ m)，這些大分子對入射光將形成強烈吸收，因此不能用來制備紅外偏振片。紅外波段只能采用金屬或者是非吸收介質材料來制作一維線柵，形成紅外偏振片。
[0005]目前報道的采用常規全固態一維線柵微偏振片集成的偏振探測器中，硅基CCD探測器在可見波段消光比能夠做到60[具體見文獻Viktor Gruev, Rob Perkins, and TimothyYork, CCD polarization imaging sensor with aluminum nanowire optical filters,OPTICS EXPRESS Vol.18，P.19087]，而在紅外波段的最大消光比為10 [具體見文獻ThomasAntoni, Alexandru Nedelcu, Xavier Marcadet, Hugues Facoetti, and Vincent Berger,High contrast polarization sensitive quantum well infrared photodetectors,APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.90，P.201107]。為了更加靈敏地探測光的偏振狀態，人們期待著出現具有更高偏振消光比的探測器。本發明提出采用等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外光電探測器，利用等離激元微腔結構的模式選擇功能和量子阱探測器中子帶間躍遷量子選擇定則所決定的選擇性躍遷吸收的本征特性，兩種特性的疊加，實現在垂直于線柵的方向上入射光TM偏振f禹合最大化的基礎上,成功地抑制其垂直方向TE偏振光的入射強度，因此能夠獲得紅外波段上很高的偏振消光比，從而實現高線性偏振度紅外光的光電探測。在本發明的實施例中獲得的長波紅外波段波長14.2-14.9微米附近偏振消光比達到65，可與可見波段的最好水平相媲美。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種采用集成在像元上的等離激元微腔耦合結構的量子阱紅外光電探測器實現高線性偏`振度光電探測。
[0007]本發明采用等離激元微腔耦合結構的量子阱紅外光電探測器，其結構為以入射光經過先后為序依次是:上層金屬線條形成的金屬光柵層1，量子阱紅外光電轉換激活層2，下層金屬反射層3。
[0008]所說的金屬光柵層I為周期為P、線寬為S、厚度為hi的一維周期排列的金屬線條光柵，其材質包括但不限于高導電性的金或者銀。為了改善其黏附性，可在其與量子阱紅外光電轉換激活層2之間附加一層厚度為10~30納米的黏性金屬，其材質包括但不限于鈦。其周期P、線寬s和厚度hi由理論計算得到的優化結果決定，優化計算的目標是使入射光波能夠與金屬中電子集體振蕩形成的等離激元的局域表面模式(Localized SurfacePlasmon, LSP)和表面等離極化激兀模式(Surface Plasmon Polariton, SPP)發生共振率禹合，在兩個模式的誘導下進入耦合微腔中，形成橫向的駐波腔模模式。針對中遠紅外波段(50-4000cm^,2.5-200 μ m)，理論計算給出以下金屬光柵的尺寸參數設計范圍:①條紋寬度s的數值為探測波長的十分之一到十分之十之間。對于共振耦合模式，金屬條紋寬度s與探測波長λ之間滿足s=kX /2η關系，其中k為共振級數，η為量子阱紅外光電轉換激活層2中激活材料的折射率，一般取值為3-5，取決于層2的厚度。對于k=l，s最小為探測波長的十分之一。在共振級數k>2n時，s最大可到一個探測波長。但k>6后，共振耦合效果將逐漸減弱，導致偏振效果減弱。因此s的最大值不超過探測波長的十分之十。②周期P的數值為探測波長的十分之一到十分之三十。這是因為周期P必須大于條紋寬度s，所以必須大于探測波長的十分之一。但在條紋寬度s不變情況下，增加周期即是增加狹縫寬度。當狹縫寬度大于條紋寬度兩倍時，理論計算表明TE偏振將增大到可以與TM偏振的共振波長位置相比擬，導致消光比減小。因此周期P的數值最大不超過探測波長的十分之三十。③金屬光柵層I的厚度hi的值不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0096倍。這是因為共振耦合條件要求金屬光柵層I的上、下表面電磁場之間無相互作用，即要求厚度hi的值不小于2倍的趨膚深度。在中遠紅外波段，理論給出的電磁波在金屬中的趨膚深度d?
0.0048.λ 1/2。
[0009]所說的量子阱紅外光電轉換激活層2是指能夠吸收入射光并產生光生載流子的半導體量子阱薄膜材料，由單個或多個量子阱夾持在勢壘層中形成。在光照下導帶基態子能級(或稱子帶)中的電子吸收光子躍遷到激發態上，形成光生載流子，并通過上、下金屬電極之間的電場將光生載流子輸運到外電路中，形成光電轉換的信號。其厚度h2由理論計算得到的優化結果決定，優化計算的目標是使耦合進入耦合微腔中的電磁波所形成的橫向駐波模式達到最強。按照等離激元微腔近場耦合要求，h2必須小于所探測入射光的等效光波長，即真空中的光波長除以該層物質的折射率。對于折射率的最小取值為3時，h2應不大于探測波長的三分之一。
[0010]所說的下層金屬反射層3是指厚度為h3的一層完整的金屬層，h3的值必須大于探測光在金屬中的趨膚深度，即以微米為單位的探測波長的平方根的0.0048倍。此時的金屬層可作為電磁波的反射層。其材質包括但不限于高導電性的金或者銀。為了改善其黏附性，可在其與量子阱紅外光電轉換激活層2之間附加一層厚度為10?30納米的黏性金屬，其材質包括但不限于鈦。
[0011]本發明基于的工作原理是:針對特定的紅外探測波長所設計的金屬線柵呈周期排列，且其周期小于所探測光的波長，使得光柵金屬中電子的集體振蕩所形成的等離激元能夠與入射紅外光中偏振方向沿垂直于光柵線條方向的橫磁(TM)偏振光發生共振f禹合,并與下層金屬反射層共同作用，對光場的分布形成了新的調制，使得入射光能夠耦合進入微腔中傳播，并形成駐波形式的腔模。其傳播方向由自由空間中的垂直于探測器平面的z方向轉變成為沿著探測器平面的X方向傳播，并由量子阱紅外光電轉換激活層2吸收之后轉變成為電信號。而所探測的紅外光中偏振方向平行于光柵線條方向y方向的橫電(TE)偏振光則不能發生共振耦合，因此不能進入上、下金屬層構成的耦合微腔，從而不被光電激活層吸收，也就不能產生電信號。由此，該結構形成對入射紅外光的偏振狀態高度依賴的光電響應信號，構成高偏振度光電探測器。
[0012]本發明的優點在于:
[0013]I在紅外集成偏振光電探測器的光電耦合結構中提出一種全新的設計，能夠取代傳統的線柵耦合這一主要途徑，利用上層金屬光柵與下層金屬反射層之間等離激元共振所形成的電磁波近場耦合微腔的模式選擇效應，使得能夠進入到微腔的光子以那些能夠與探測波長偏振模式形成共振的光子為主。
[0014]2進入到微腔中的光子其電矢量方向在微腔模式的調制下由X方向改變為z方向，能夠被量子阱子帶躍遷吸收形成光電轉換過程。而那些不能與該偏振模式共振的光子則不能進入微腔，因此不能形成光電轉換。采用本發明的偏振耦合方式能夠極大地提高偏振響應的消光比，在本發明的實施例中能夠實現探測器的偏振消光比為65，具有極高的偏振分辨能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的量子阱紅外偏振探測器像元剖面結構示意圖。圖中1:上層金屬線條形成的金屬光柵層，2:量子阱紅外光電轉換激活層，3:下層金屬反射層。
[0016]圖2是本發明的量子阱紅外偏振探測器像元三維結構示意圖。圖中1:上層金屬線條形成的金屬光柵層，2:量子阱紅外光電轉換激活層，3:下層金屬反射層。
[0017]圖3是本發明實施例二中實際測量得到的量子阱紅外偏振探測器對入射偏振光的電流響應譜隨入射光路中偏振片角度的變化曲線。
[0018]圖4是本發明實施例二中波長在14.2-14.9μπι之間的光電流的平均值隨入射光路中偏振片角度的變化關系。實心圓點是實驗點，數據取自圖4中的實驗光譜。實線是函數Sin2Q的歸一化計算結果，Θ是偏振片角度。該曲線代表著理想偏振片的透過率隨角度變化的特性。
【具體實施方式】
[0019]下面以峰值探測波長為13.6 μ m的等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度GaAs/AlxGa1^xAs量子阱紅外光電探測器為例，結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0020]見圖1和圖2，本發明所涉及的等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外光電探測器，包括:金屬光柵層1，是周期為P、線寬為S、厚度為hi的一維周期排列的金屬線條光柵，本實施例中采用的金屬為金。為了改善其黏附性，在其與量子阱紅外光電轉換激活層2之間附加了一層金屬鈦。金屬光柵層I的周期P、線寬S和厚度hi通過有限差分時域(FDTD)方法計算決定，得到周期P的數值為探測波長的十分之一到十分之三十，線寬s的數值為以微米為單位的探測波長的十分之一到十分之十之間，厚度hi的值不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0096倍。金屬光柵層I通過薄膜淀積方法制備得到，并通過光刻和腐蝕形成光柵圖形。
[0021]量子阱紅外光電轉換激活層2，是指能夠吸收入射光并產生光生載流子的半導體量子阱薄膜材料，由單個或多個量子阱夾持在勢壘層中形成。在光照下導帶基態子能級(或稱子帶)中的電子吸收光子躍遷到激發態上，形成光生載流子，并通過上、下金屬電極之間的電場將光生載流子輸運到外電路中，形成光電轉換的信號。其厚度h2由理論計算得到的優化結果決定，優化計算的目標是使耦合進入耦合微腔中的電磁波所形成的橫向駐波模式達到最強。按照等離激元微腔近場耦合要求，h2必須小于所探測入射光的等效光波長，SP真空中的光波長除以該層物質的折射率。該層量子阱薄膜由分子束外延(MBE)或者金屬有機化學汽相外延(MOCVD)方法制備在GaAs襯底上，之后通過襯底剝離的方法形成單獨的外延層薄膜。
[0022]下層金屬反射層3，是厚度h3不小于探測光波在金屬中趨膚深度的一層完整金屬層，即厚度h3不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0048倍。該層金屬反射層通過薄膜淀積方法制備得到。
[0023]在上述尺寸范圍內，嚴格的FDTD理論計算表明，由于金屬周期性線柵與金屬反射層的共同耦合作用，對入射的TM光形成耦合共振調制，使得波長大于10微米的入射光能夠進入到厚度不足I微米的耦合微腔中，其傳播方向由垂直于探測器表面的z方向改變成平行于探測器表面的X方向，并且形成了橫向振蕩的柱波。微腔中電磁波的電矢量沿z方向，平行于量子阱的生長方向，能夠被量子阱子帶躍遷吸收。
[0024]本實施例采用的耦合結構的面積為230Χ200μm2，該面積可根據實際需要改變。本實施例中等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外光電探測器的制作過程可按照本發明人之前所獲得授權的發明專利(專利號:201110082811.7，專利名稱:用于光電功能器件的金屬波導微腔光耦合結構的工藝制程)中的步驟方法來實現，也可通過其它微加工工藝過程實現。
[0025]針對峰值探測波長為13.6 μ m，本發明通過三個實施例采用不同的耦合結構尺寸參數來證明本發明的可行性和有效性。其中厚度尺寸參數hl、h2和h3固定不變，改變上層金屬光柵的周期P、線寬s和黏性金屬的厚度。
[0026]對于厚度尺寸參數hl，本實施例中取為0.1微米，滿足不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0096倍的條件。
[0027]對于厚度尺寸參數h2，在本發明實施例中以入射光方向為上，則該層由從下到上的5個子層組成，分別是:子層厚度為490納米的η型摻雜GaAs下電極層，摻雜濃度為
5.0X IO17CnT3 ;子層厚度為100納米的AlxGai_xAs下勢壘層，其中χ=0.15 ;子層厚度為7納米的η型摻雜GaAs勢阱層，摻雜濃度為2.0X IO17CnT3 ;子層厚度為100納米的AlxGa1^s上勢壘層，其中x=0.15 ;子層厚度為190納米的η型摻雜GaAs上電極層，摻雜濃度為
5.0X1017cm_3。5個子層的總厚度構成h2，其值為887納米，即0.887微米。該數值滿足厚度小于等效波長的條件(對于本實施例中探測波長范圍在10-16 μ m時，取量子阱折射率為
3.3，則等效波長為3-4.5 μ m)。
[0028]對于厚度尺寸參數h3，本實施例中取為0.1微米，滿足不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0048倍的條件。
[0029]實施例一:上層金屬光柵線寬s取為1.36微米，為探測波長的十分之一。周期P取為2.6微米，滿足大于線寬s的條件。黏性金屬鈦厚度為10納米。
[0030]實施例二:上層金屬光柵線寬s取為5.5微米，周期P取為10.6微米，黏性金屬鈦厚度為20納米。
[0031]實施例三:上層金屬光柵線寬s取為13.6微米，為探測波長的十分之十。周期P取為40.8微米，為探測波長的十分之三十。黏性金屬鈦厚度為30納米。
[0032]上述三個實施例獲得的結果相近，附圖中給出了實施例二的測試結果。
[0033]圖3給出了本發明實施例二中實際測量得到的量子阱紅外偏振探測器對入射偏振光的電流響應譜隨入射光路中偏振片角度的變化曲線。可以看到在10-16微米的范圍內，探測器光電流譜的強度隨著入射光路偏振片角度的變化而逐漸變化，表現出明確的偏振選擇性。
[0034]圖4是本發明實施例二中波長在14.2-14.9 μ m之間的光電流的平均值隨入射光路中偏振片角度的變化關系。實心圓點是實驗點，數據取自圖3中的實驗光譜。實線是函數Sin2Q的歸一化計算結果，Θ是偏振片角度。該曲線代表著理想偏振片的透過率隨角度變化的特性。由于偏振片角度為零度時幾乎沒有光子能夠被耦合進入探測器，因此探測器所探測到的信號極其微弱，Rte接近為零，造成消光比的數值起伏較大(消光比P =Rtm/Rte，Rtm、Rte分別是探測器對于TM偏振光和TE偏振光的響應)。為了得到明確的偏振消光比的數值，對波長范圍在14.2-14.9μπι之間的光電流取平均值，給出該平均值隨入射光路偏振片角度的變化關系。最大消光比由偏振片90的數值除以偏振片O度的數值得到。最大偏振消光比的波長范圍在14.2-14.9μπι之間，并不出現在峰值探測波長13.6μπι。這是因為峰值探測波長除了受到等離激元耦合微腔中的電磁波模式的調制之外，還受到量子阱本身吸收峰形的調制。本發明實施例中獲得的長波紅外波段波長14.2-14.9μπι附近最大偏振消光比達到65，能夠與可見波段的最好水平相媲美。
【權利要求】
1.一種等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器，其結構為以入射光經過先后為序依次是上層金屬線條形成的金屬光柵層(1)，量子阱紅外光電轉換激活層(2)和下層金屬反射層(3)，其特征在于: 所述的上層金屬線條形成的金屬光柵層(I)為周期為P、線寬為S、厚度為hi的一維周期排列的金屬線條光柵，其材質包括但不限于高導電性的金或者銀； 所述的量子阱紅外光電轉換激活層(2)為基于導帶子帶間躍遷的η型半導體單個或多個量子阱層，成分材料包括但不限于GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs/InP或InGaAs/GaAs，其厚度h2的數值應不大于探測波長的三分之一； 所述的下層金屬反射層(3)是指厚度為h3的一層完整的金屬層，h3的值不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0048倍，其材質包括但不限于高導電性的金或者銀。
2.根據權利要求1所述的一種等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器，其特征在于:在所述的上層金屬線條形成的金屬光柵層(I)與量子阱紅外光電轉換激活層(2)之間附加有改善上層金屬線條形成的金屬光柵層I的黏附性的黏性金屬層，其厚度為10?30納米，材質包括但不限于鈦。
3.根據權利要求1所述的一種等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器，其特征在于:所述的上層金屬線條形成的金屬光柵層(I)的周期P的數值為探測波長的十分之一到十分之三十，線寬s的數值為探測波長的十分之一到十分之十之間，厚度hi的值不小于以微米為單位的探測波長的平方根的0.0096倍。
4.根據權利要求1所述的一種等離激元微腔耦合結構的高線性偏振度量子阱紅外探測器，其特征在于:在所述的量子阱紅外光電轉換激活層(2)和下層金屬反射層(3)之間附加有改善下層金屬反射層(3)黏附性的黏性金屬層，其厚度為10?30納米的黏性金屬，其材質包括但不限于鈦。
【文檔編號】H01L27/146GK103762220SQ201410021014
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】李志鋒, 李倩, 陸衛, 陳效雙, 李寧, 陳平平, 李天信, 王文娟, 甄紅樓, 王少偉, 景友亮 申請人:中國科學院上海技術物理研究所