一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法
【專利摘要】本發明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，包括：1）根據太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率在器件材料中的波長λp，設計刻蝕光柵的周期P，使P＝λp；2）計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內部的電磁場分布；3）提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻的分量，并在有源區內對該分量的能量進行積分，得到有源區中對子帶間躍遷有貢獻的總能量It；4）設置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。本發明可有效提升太赫茲量子阱光電探測器在峰值響應頻率點的性能，對高性能太赫茲量子阱光電探測器的實現及其成像應用具有重要的意義。
【專利說明】一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體光電器件【技術領域】，特別是涉及一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法。
【背景技術】
[0002]太赫茲(THz)探測器是各項THz研究和各種THz應用系統的關鍵器件。THz量子阱光電探測器(QWP)因其具有體積小、易集成、響應速度快等優點，被廣泛認為是最具發展潛力的THz探測器之一。
[0003]從工作原理上看，THz QWP是一種子帶間躍遷型(ISBT)探測器。然而由于量子力學的限制，如果入射光垂直照射在THz QWP表面，ISBT不會發生，因而也不會產生光電流。因此，通常的做法是將光斜入射到器件中，比如沿著QWP表面的布魯斯特角方向入射，或者是將QWP的端面磨成45度角，再沿著這個端面入射。這種做法雖然簡單，但在THz成像應用中，需要將探測器組合成焦平面陣列，必然會使用到正入射的配置。所以對于THz QWP焦平面陣列，以上提到的斜入射方案不再適用，而通常的做法是在器件表面加工一個光耦合器，將垂直于量子阱生長方向的偏振電場部分轉化為沿平行方向的偏振，以實現正入射情況下的 ISBT0
[0004]光柵就是一種常用的光耦合器，一維刻蝕光柵的形貌及其制作方法如圖1?圖4所示。圖1的器件表面沒有做光柵結構，兩條虛線內部為THz QWP的有源區10，有源區10厚度通常在3 μ m左右；圖2中，上表面被刻蝕形成周期性分布的脊條20 ;圖3中，在上表面再沉積一層金屬30，形成反射型刻蝕光柵，入射光從器件下表面正入射。該刻蝕光柵的主要參數如圖4所示，光柵周期為P，脊條寬度為a，高度(即刻蝕深度)為h。這種光柵與普通金屬光柵的區別在于，普通金屬光柵是直接在器件表面蒸鍍金屬，通過剝離的方法做成金屬條，金屬條本身就是光柵條；而刻蝕光柵是通過在半導體表面刻蝕的方法形成半導體光柵條，最后金屬的蒸鍍是為了增強反射。傳統的設計方法認為，根據干涉原理，刻蝕光柵的高度應該為對應波長的1/4，而本發明認為傳統方案在THz頻段已不再適用，本發明將提出一種優化光柵高度h的全新方案，該方案可提高刻蝕光柵的耦合效率，進而提升THz QffP的性能，對THz實時成像系統的研究與開發具有重要意義。
【發明內容】
[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，用于解決現有技術中太赫茲量子阱光電探測器由于光柵高度的不適應而導致耦合效率降低的問題。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，包括步驟:
[0007]I)根據太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率在器件材料中的波長λ ρ,設計刻蝕光柵的周期P，使P = λ P ;[0008]2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內部的電磁場分布；
[0009]3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區內對該分量的能量進行積分，得到有源區中對子帶間躍遷有貢獻的總能量It ；
[0010]4)設置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。
[0011]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
[0012]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
[0013]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，所述反射金屬的材料為Au。
[0014]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，步驟I)所述的器件材料為GaAs材料體系。
[0015]進一步地，所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率范圍為3?6THz，在器件材料中的波長為27.6?12.8 μ m。
[0016]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，步驟2)采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進行編程的方法計算在入射光照射下器件內部的電磁場分布。
[0017]作為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的一種優選方案，步驟4)設置不同的光柵高度h的范圍為O?10 μ m。
[0018]進一步地，當在不同光柵高度h范圍內出現多個總能量It峰值時，選擇對應于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
[0019]如上所述，本發明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，包括步驟:1)根據太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率在該太赫茲量子阱光電探測器的器件材料中的波長λ p，設計刻蝕光柵的周期P，使P= λ ρ ;2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內部的電磁場分布；3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區內對該分量的能量進行積分，得到有源區中對子帶間躍遷有貢獻的總能量It ;4)設置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。本發明可有效提升太赫茲量子阱光電探測器在峰值響應頻率點的性能，對高性能太赫茲量子阱光電探測器的實現及其成像應用具有重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1?圖4顯示為現有技術中的一種太赫茲量子阱光電探測器的制造方法各步驟所呈現的結構示意圖。
[0021]圖5顯示為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的步驟流程示意圖。
[0022]圖6?圖8顯示為本發明的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法的三個具體實施例所獲得的光柵高度-歸一化的耦合效率曲線示意圖。[0023]元件標號說明
[0024]10有源區
[0025]20脊條
[0026]30金屬
[0027]P光柵周期
[0028]a脊條寬度
[0029]h光柵高度 [0030]Sll~S14步驟I)~步驟4)
【具體實施方式】
[0031]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0032]請參閱圖5~圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0033]如圖5~圖8本發明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，包括步驟:
[0034]如圖5所示，首先進行步驟I) S11，根據太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率在該太赫茲量子阱光電探測器的器件材料中的波長λ p，設計刻蝕光柵的周期P，使P =
λ P。
[0035]作為示例，所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
[0036]作為示例,所述反射金屬的材料為Au。
[0037]另外，在本實施例中，選取刻蝕光柵的占空比為50%，即所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
[0038]作為示例，所述的器件材料為GaAs材料體系。對于上述的為GaAs材料體系，所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率范圍為3~6THz，在器件材料中的波長為27.6~12.8 μ m0
[0039]如圖5所示，然后進行步驟2)S12，計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內部的電磁場分布。
[0040]作為示例，采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進行編程的方法計算在入射光照射下器件內部的電磁場分布。
[0041]如圖5所示，接著進行步驟3) S13，提取電磁場分布中對子帶間躍遷ISBT有貢獻的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區內對該分量的能量進行積分，得到有源區中對子帶間躍遷有貢獻的總能量It。
[0042]如圖5所示，最后進行步驟4)S14，設置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。[0043]作為示例，設置不同的光柵高度h的范圍為O~10 μ m。事實上，在實際的分子束外延(MBE)生長中，生長10 μ m的厚度將消耗極大的成本，目前結構非常復雜的量子級聯激光器的總生長厚度也僅在IOym左右，因此，在太赫茲量子阱光電探測器上生長額外的ΙΟμπι厚度用于制作光耦合器可以認為是考慮范圍的極限，從這點上說，模擬上限取到ΙΟμπι是非常合理的，而且可以節約模擬的時間和成本。
[0044]進一步地，為了降低太赫茲量子阱光電探測器的制作時間和成本，當在不同光柵高度h范圍內出現多個總能量It峰值時，選擇對應于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
[0045]另外，通過上述設計方法獲得太赫茲量子阱光電探測器的各項參數后，可以采用現有半導體加工技術，根據上述步驟確定的刻蝕光柵周期P、脊條寬度a及光柵高度h，制作相應的反射型刻蝕光柵。
[0046]如圖6~圖8所示，下面以幾個示例來說明本發明的具體設計方法，由于目前大部分太赫茲量子阱光電探測器均基于GaAs材料體系，通過MBE技術生長在半絕緣GaAs襯底上，峰值響應頻率多集中在3~6THz范圍內，因此，本發明取以下三個太赫茲量子阱光電探測器:
[0047]
【權利要求】
1.一種太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于，包括步驟: 1)根據太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率在器件材料中的波長λρ，設計刻蝕光柵的周期P，使P = λρ ； 2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內部的電磁場分布； 3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區內對該分量的能量進行積分，得到有源區中對子帶間躍遷有貢獻的總能量It ； 4)設置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。
2.根據權利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
3.根據權利要求2所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
4.根據權利要求2所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:所述反射金屬的材料為Au。
5.根據權利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:步驟I)所述的器件材料為GaAs材料體系。
6.根據權利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應頻率范圍為3?6THz，在器件材料中的波長為27.6?12.8 μ m0
7.根據權利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:步驟2)采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進行編程的方法計算在入射光照射下器件內部的電磁場分布。
8.根據權利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:步驟4)設置不同的光柵高度h的范圍為O?10 μ m。
9.根據權利要求8所述的太赫茲量子阱光電探測器的設計方法，其特征在于:當在不同光柵高度h范圍內出現多個總能量It峰值時，選擇對應于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
【文檔編號】H01L31/18GK103887372SQ201410133488
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2014年4月3日
【發明者】張戎, 曹俊誠, 郭旭光, 顧亮亮 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所