基于SP效應的中波量子阱紅外探測器光柵優化

基于SP效應的中波量子阱紅外探測器光柵優化

倪璐1, 田力2

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院, 河南 焦作 454000;

2.河南平原光電有限公司, 河南 焦作 454000)

摘要：從建模、仿真結果出發,加入表面等離激元效應,運用時域有限差分算法(FDTD),研究中波量子阱紅外探測器(QWIP)的近場效應和光耦合效率.重點研究在SP效應下QWIP二維光柵的最優參數.計算結果表明,對于4 μm的入射光,當光柵周期為P=1.3 μm,柵孔深度h=0.4 μm,柵孔的占空比為d=0.8時,X-Y平面內Z方向電場值最大,光柵的耦合效率最高.

關鍵詞：量子阱紅外探測器; 表面等離激元效應; 二維光柵; 耦合效率

收稿日期：2014-07-07

作者簡介：倪璐(1989—),女,碩士研究生,主要從事控制工程以及微電子方面的研究. E-mail:276649252@qq.com

中圖分類號：TN 362文獻標志碼： A

Grating Optimization of QWIP for Mid-wave Based on Surface PlasmonNI Lu1, TIAN Li2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University,

Jiaozuo 454000, China; 2.Henan Pingyuan Optics Electronics Co., Ltd., jiaozuo 454000, China)

Abstract：A study was made on the near field and coupling efficiency of mid-wave quantum well infrared detectors under the surface Plasmon effect through modeling and simulation.The optimal parameters in the SP effect of two-dimensional grating can be obtained using the FDTD algorithm.Calculation results show that the electric field along the Z direction reached its maximum in the X-Y plane when the grating parameters are taken as P=1.3 μm、h=0.4 μm and d=0.8.

Keywords：QWIP; SPPs; 2-D grating; coupling efficiency

0引言

紅外探測器是一種對于紅外輻射進行高靈敏度感應的光電轉換器件,是紅外探測系統中的核心元件.量子阱紅外探測器(QWIP)自從20世紀80年代被驗證后,得到了廣泛積極的研究[1].目前國外量子阱紅外焦平面器件發展已趨成熟,中等規模256×256、320×240、512×480和640×512規格的單色焦平面器件以及相關熱成像系統在美、德和法國等先進國家已商品化[2].隨著量子阱紅外探測器(QWIP)的快速發展,以GaAs為基礎的QWIP在材料生長和工藝加工方面已十分成熟,可以形成高靈敏度、低功率、低成本和高均勻性的紅外成像系統,因此成為第三代紅外探測器的優選技術方案之一[3-7].但是,由于QWIP對正入射的紅外光不敏感,在雙色焦平面器件中必須制作耦合光柵來實現對正入射紅外光的探測,而且根據量子阱子帶躍遷選擇定則,只有電場方向平行于量子阱生長方向的光波才能激發子帶躍遷,而耦合光柵過低的耦合效率使得焦平面器件的量子效率及探測靈敏度較低,這在很大程度上限制了QWIP性能的進一步提升[8-10].

因此,為了提高器件的量子效率和探測靈敏度,可以采用表面等離激元效應(SPPs)來提高QWIP對正入射光的吸收效率.表面等離激元是光與金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式.在這種相互作用中,自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發生集體震蕩.研究表明,采用SP效應對中波QWIP整體性能的提高有很大的意義[11-13].

本文采用三維時域有限差分算法(3D-FDTD),詳細分析了在SP調制下中波量子阱紅外探測器中光柵的耦合效率,并給出光柵的優化參數.

1三維仿真建模

FDTD算法是把Maxwell方程組在時間和空間領域上進行差分化,對空間領域的電場和磁場進行交替計算,通過時間領域上的更新來模仿電磁場的變化,達到計算的目的,能夠直接模擬場的分布,精度比較高,是目前使用比較多的數值模擬的方法之一[14].本文采用的量子阱紅外探測器的模型如圖1所示,從頂部至底部分別為光柵層(柵孔深度為h)、n-GaAs上接觸層襯底、QWIP有源區、n-GaAs下接觸層襯底、GaAs襯底.紅外光自底部垂直入射,經QWIP有源區后到達光柵.

圖1　中波量子阱紅外探測器仿真模型示意圖

光柵層是由在Au層上周期性刻蝕GaAs材料的方孔四方晶格構成,孔的周期為P,直徑為D,如圖2所示.

圖2　方孔四方晶格結構示意圖

規定有源區的生長方向為Z軸,指向襯底方向為正,沿器件面為X-Y平面,其中心為零點.設入射波長為4 μm,襯底厚度為6 μm,光柵厚度為0.32 μm,光柵上面覆蓋一層0.4 μm的Au,光源在襯底上距離為5 μm.Z平面區域入射波耦合效率可認為是:

(1)

式中:Ez為積分平面內沿Z方向的場分量,Eim為設定光源處入射處的入射場分量Ex、Ey.

2計算與分析

沿Z方向入射的紅外光只有垂直于Z方向的電矢量才能被QWIP有源區直接吸收.光通過如圖2所示的周期性金屬薄膜(光柵層)可以產生TM模式的表面等離激元,其存在Z方向的電矢量,可以被QWIP有源區吸收.圖3為距離光柵層底部Z=0.12 μm處Z方向電矢量的分布圖.從圖3中可以看出,垂直入射的紅外光的傳播方向明顯改變,且光場集中在與光柵孔對應的位置上.圖中采用的計算參數為:光柵周期1.55 μm,孔直徑0.775 μm,柵孔深度0.32 μm.

為了研究光柵層參數對光耦合效率的影響,我們分析了不同周期、不同柵孔深度、不同占空比下光的耦合效率.此處占空比是指柵孔直徑與周期的比值,即:d=D/P.如圖4所示,給出了5個Z取不同值時光耦合效率隨周期P變化的曲線圖,從圖中可以看出周期P取1.3 μm左右時,光柵相對耦合效率最高.圖中孔直徑取D=0.65 μm,柵孔的占空比d=0.5,以此設定參數進行以下分析.

圖3　距離光柵層1.2 μm處 Z方向電場分布圖

圖4　光柵在不同周期的耦合效率

取周期P=1.3 μm,改變孔的深度h進行分析,得到如圖5所示的結果.從圖中可以看出當柵孔深度h=0.4 μm時,光柵相對耦合效率達到最大值.因此,可以在此基礎上分析其他參數對耦合效率的影響.

在前兩步分析的基礎上,取以下參數:P=1.3 μm,h=0.4 μm,d=0.8分析占空比對相對耦合效率的影響,得到的結果如圖6所示.從圖中可以看出當占空比在0.7～0.8時,光耦合效率達到最優,且變化不大;占空比大于0.8以后,光柵耦合效率急劇下降.

圖5　光柵在不同柵孔深度的耦合效率

圖6　光柵在占空比不同時的耦合效率

綜上分析,可以得到光柵的最佳參數,即當P=1.3 μm、h=0.4 μm、d=0.8時,在表面等離激元激發下的Z方向電場達到最大值,光柵耦合效率最高.

3結論

為了提高量子阱紅外探測器的光探測率及靈敏度,采用3D-FDTD算法,詳細分析了表面等離激元作用下光柵參數對垂直入射光相對耦合效率的影響.對于4 μm的入射光,當光柵周期P=1.3 μm,柵孔深度h=0.4 μm,占空比d=0.8時,X-Y平面內Z方向電場值最大,光柵的耦合效率最高.該結果對于中波量子阱紅外探測器的優化設計和探測率的提高具有一定的指導意義.

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