導模共振集成量子阱紅外探測器研究

余昊楠 曹全君 唐偉偉 王林

摘要：????? 提出一種基于全介質導模共振增強量子阱紅外探測器性能的方法， 在7.5～9.0 μm電磁波譜范圍內， 利用導模共振， 在量子阱層形成波導模式和光場局域。 該結構的損耗很低， 使得量子阱激活層內的光子壽命很長， 極大地增強了量子阱材料的吸收。 通過優化器件參數， 量子阱的吸收可達95%， 遠遠高于基于金屬等離激元原理增強量子阱器件的吸收。 且該探測器對制作工藝有很高的容忍度。

關鍵詞：???? 量子阱; 導模共振; 增強吸收; 紅外探測器

中圖分類號：??? ?TJ760; V248.1文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0067-05[SQ0]

0引言

工作在8～10 μm的中紅外探測器在夜間探測、 軍事偵察和環境監測中都有著非常重要的作用。 以碲鎘汞（MCT）為代表的光子探測器是目前應用最廣泛的器件之一， 其可以通過調節汞的組分調節材料的帶隙， 實現探測波長可調， 但是碲鎘汞材料大面積制備困難， 均勻性不高限制了其朝焦平面方向發展， 對于更長的波段， 需要更高組分的汞， 使得制備過程中， 出現大量的汞空位缺陷， 材料制備更困難[1-3]。 而量子阱材料由于吸收的光子能量對應于紅外波段， 并且基于GaAs材料的MOCVD生長工藝非常成熟， 該工藝可以獲得大面積均勻的GaAs材料并嚴格控制其組分[4-11]， 可以與傳統的半導體焦平面工藝兼容， 因此在紅外探測領域中有著巨大的應用前景。

基于此， 研究者們設計了許多增強量子阱吸收的結構， 如45°角入射， 這種設計只適用于單元器件， 對于焦平面器件， 由于多個探測單元集成在同一襯底上， 所以無法采用磨角的方法; 金屬表面等離激元結構[12-21]， 具體來說， 有近場效應和耦合波導結構， 這兩種結構雖然能增強量子阱的吸收， 但是金屬材料本身會引入額外的歐姆損耗， 從而限制了量子阱材料對電磁波的吸收; 還有基于光子晶體耦合電磁波增強量子阱紅外探測器性能的方法， 但該方法的制作工藝很復雜[22]。 本文設計了基于全介質結構導模共振增強量子阱紅外探測器性能的方法， 該方法工藝簡單， 可實現量子阱材料對入射光大于95%的吸收， 極大地增強量子阱紅外探測器的性能。

1器件結構

圖1給出了導模共振集成量子阱紅外探測器的結構示意圖， 包括一維的GaAs光柵、 低折射率的藍寶石襯底以及中間層。 中間層包括上電極、 20個周期的GaAs/Al0.30Ga0.70As層以及下電極。 最上層一維GaAs光柵的周期Λ=5.6 μm， 寬度a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm， 上電極、 下電極的高度分別

圖2給出了導模共振集成量子阱紅外探測器的紅外吸收譜， 可以看出， 在8.37 μm處接近98%的入射光全部被量子阱吸收。 在該結構中， 量子阱本身超強的吸收來源于光柵衍射波和量子阱層內波導模式的耦合， 當介質光柵衍射波的波矢與波導結構的傳播常數相匹配時， 波導的模式將會發生泄漏， 并且與入射電磁波發生耦合， 如圖3所示。 由圖3可知在共振處（8.37 μm）的電場z分量的分布。 入射電場為TM波， 只含有Ex分量， 但是由于光柵的作用， 使得耦合到波導結構內的電場有很強的Ez分量， 并且局域在量子阱層內， 增強了量子阱材料與電場的相互作用， 從而提高了量子阱紅外探測器的性能。 與之前基于金屬表面等離激元增強量子阱紅外探測器性能的結構相比， 量子阱材料的吸收增強了3倍 [21]， 這主要是由于基于金屬表面等離激元效應會額外引入金屬的歐姆損耗， 從而限制了量子阱材料吸收。

由于子帶間躍遷選擇定則的限制， 量子阱材料只能吸收沿著其生長方向的電磁波分量， 即只有Ez才能對子帶躍遷有貢獻， 定義在xoy面內的Ez2的平均增強因子：

其中： Ez和E0分別代表波導層內電場的z分量和入射電場的值。 導模共振集成量子阱紅外探測器中F因子與介質光柵距離s之間的關系如圖4所示。 從圖中可以看出， 平均的Ez2增強主要分布在激活層的中間區域， 這對于器件的制作工藝非常有幫助。 而對表面等離子體波來說， 由于其電場沿著界面指數衰減， 所以必須把量子阱激活層放在距離金屬超材料很近的位置附近。 在該結構中， 當光柵周期Λ=5.6 μm， 線寬a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm時， 探測器的光耦合效率η=5.07， 遠遠高于45°斜角入射的情況（η=0.5）， 表明基于導模共振集成量子阱紅外探測器的性能得到了很大的提高。

由于利用導模共振增強量子阱紅外探測器的性能主要是基于衍射波與波導模式的耦合， 在量子阱激活層內形成強的電場局域， 從而增強量子阱的吸收， 所以可以通過調節介質光柵的周期來調節量子阱紅外探測器的共振位置， 如圖5所示。

當保持該結構中的其他參數不變時， 光柵周期增大時， 共振波長增大， 這是由于在量子阱層形成波導共振必須滿足的條件：

最后研究了該探測器對結構參數的容忍度。 該結構中量子阱激活層的厚度對共振和吸收的影響如圖6所示。

從圖中可以看出， 保持波導層的厚度不變， 量子阱激活層厚度從0.5 μm變化到2.2 μm時， 量子阱材料的吸收基本保持不變， 理論上說， 吸收率會隨著吸收層厚度增加而增加， 但是也會導致該結構Q因子的降低， 使得吸收減弱。 由此可見， 正是由于吸收層厚度與結構Q因子之間的權衡， 才導致該探測器對激活層厚度有很高的容忍度。 除此之外， 在實際的實驗中， 很難制作出完全理想的光柵結構， 特別是嚴格控制光柵的高度和寬度， 因此， 模擬了該探測器的性能隨光柵的高度和寬度的容忍度特性， 如圖7所示。

從圖中可以看出， 保持其他參數不變， 當光柵的高度從1.8 μm變化到2.4 μm時， 共振波長和量子阱的吸收基本保持不變， 當光柵的寬度從4 μm變化到4.5 μm時， 量子阱的吸收也基本保持不變， 共振波長也只有很小范圍的紅移， 這是由于該一維介質光柵占空比的變化導致波導上層有效折射率的變化而引起的。 光柵層有效折射率與占空比之間的關系為

3總結

本文研究了基于導模共振增強量子阱紅外探測器的方法， 在該結構中， 量子阱本身超強的吸收來源于光柵衍射波和量子阱層內波導模式的耦合， 在量子阱激活層內形成強的電場局域， 并且該結構由于避免了金屬的歐姆損耗， 使得該探測器Q因子很高， 提高了局域光子在量子阱層的壽命， 從而使得量子阱本身的吸收最大可達95%以上。 當其他參數保持不變時， 導模的共振特性隨著光柵周期的增大而增大， 從而可以實現對該探測器共振位置的調節。 另外， 考慮到工藝的影響， 模擬了光柵的參數對該探測器性能的影響， 發現光柵高度和寬度在器件的制作工藝上都有500 nm的容忍度， 極大地簡化了器件的制作工藝。

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