基于SP效应的中波量子阱红外探测器光栅优化

基于SP效应的中波量子阱红外探测器光栅优化

倪璐1, 田力2

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院, 河南 焦作 454000;

2.河南平原光电有限公司, 河南 焦作 454000)

摘要：从建模、仿真结果出发,加入表面等离激元效应,运用时域有限差分算法(FDTD),研究中波量子阱红外探测器(QWIP)的近场效应和光耦合效率.重点研究在SP效应下QWIP二维光栅的最优参数.计算结果表明,对于4 μm的入射光,当光栅周期为P=1.3 μm,栅孔深度h=0.4 μm,栅孔的占空比为d=0.8时,X-Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高.

关键词：量子阱红外探测器; 表面等离激元效应; 二维光栅; 耦合效率

收稿日期：2014-07-07

作者简介：倪璐(1989—),女,硕士研究生,主要从事控制工程以及微电子方面的研究. E-mail:276649252@qq.com

中图分类号：TN 362文献标志码： 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

红外探测器是一种对于红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件,是红外探测系统中的核心元件.量子阱红外探测器(QWIP)自从20世纪80年代被验证后,得到了广泛积极的研究[1].目前国外量子阱红外焦平面器件发展已趋成熟,中等规模256×256、320×240、512×480和640×512规格的单色焦平面器件以及相关热成像系统在美、德和法国等先进国家已商品化[2].随着量子阱红外探测器(QWIP)的快速发展,以GaAs为基础的QWIP在材料生长和工艺加工方面已十分成熟,可以形成高灵敏度、低功率、低成本和高均匀性的红外成像系统,因此成为第三代红外探测器的优选技术方案之一[3-7].但是,由于QWIP对正入射的红外光不敏感,在双色焦平面器件中必须制作耦合光栅来实现对正入射红外光的探测,而且根据量子阱子带跃迁选择定则,只有电场方向平行于量子阱生长方向的光波才能激发子带跃迁,而耦合光栅过低的耦合效率使得焦平面器件的量子效率及探测灵敏度较低,这在很大程度上限制了QWIP性能的进一步提升[8-10].

因此,为了提高器件的量子效率和探测灵敏度,可以采用表面等离激元效应(SPPs)来提高QWIP对正入射光的吸收效率.表面等离激元是光与金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式.在这种相互作用中,自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体震荡.研究表明,采用SP效应对中波QWIP整体性能的提高有很大的意义[11-13].

本文采用三维时域有限差分算法(3D-FDTD),详细分析了在SP调制下中波量子阱红外探测器中光栅的耦合效率,并给出光栅的优化参数.

1三维仿真建模

FDTD算法是把Maxwell方程组在时间和空间领域上进行差分化,对空间领域的电场和磁场进行交替计算,通过时间领域上的更新来模仿电磁场的变化,达到计算的目的,能够直接模拟场的分布,精度比较高,是目前使用比较多的数值模拟的方法之一[14].本文采用的量子阱红外探测器的模型如图1所示,从顶部至底部分别为光栅层(栅孔深度为h)、n-GaAs上接触层衬底、QWIP有源区、n-GaAs下接触层衬底、GaAs衬底.红外光自底部垂直入射,经QWIP有源区后到达光栅.

图1　中波量子阱红外探测器仿真模型示意图

光栅层是由在Au层上周期性刻蚀GaAs材料的方孔四方晶格构成,孔的周期为P,直径为D,如图2所示.

图2　方孔四方晶格结构示意图

规定有源区的生长方向为Z轴,指向衬底方向为正,沿器件面为X-Y平面,其中心为零点.设入射波长为4 μm,衬底厚度为6 μm,光栅厚度为0.32 μm,光栅上面覆盖一层0.4 μm的Au,光源在衬底上距离为5 μm.Z平面区域入射波耦合效率可认为是:

(1)

式中:Ez为积分平面内沿Z方向的场分量,Eim为设定光源处入射处的入射场分量Ex、Ey.

2计算与分析

沿Z方向入射的红外光只有垂直于Z方向的电矢量才能被QWIP有源区直接吸收.光通过如图2所示的周期性金属薄膜(光栅层)可以产生TM模式的表面等离激元,其存在Z方向的电矢量,可以被QWIP有源区吸收.图3为距离光栅层底部Z=0.12 μm处Z方向电矢量的分布图.从图3中可以看出,垂直入射的红外光的传播方向明显改变,且光场集中在与光栅孔对应的位置上.图中采用的计算参数为:光栅周期1.55 μm,孔直径0.775 μm,栅孔深度0.32 μm.

为了研究光栅层参数对光耦合效率的影响,我们分析了不同周期、不同栅孔深度、不同占空比下光的耦合效率.此处占空比是指栅孔直径与周期的比值,即:d=D/P.如图4所示,给出了5个Z取不同值时光耦合效率随周期P变化的曲线图,从图中可以看出周期P取1.3 μm左右时,光栅相对耦合效率最高.图中孔直径取D=0.65 μm,栅孔的占空比d=0.5,以此设定参数进行以下分析.

图3　距离光栅层1.2 μm处 Z方向电场分布图

图4　光栅在不同周期的耦合效率

取周期P=1.3 μm,改变孔的深度h进行分析,得到如图5所示的结果.从图中可以看出当栅孔深度h=0.4 μm时,光栅相对耦合效率达到最大值.因此,可以在此基础上分析其他参数对耦合效率的影响.

在前两步分析的基础上,取以下参数:P=1.3 μm,h=0.4 μm,d=0.8分析占空比对相对耦合效率的影响,得到的结果如图6所示.从图中可以看出当占空比在0.7～0.8时,光耦合效率达到最优,且变化不大;占空比大于0.8以后,光栅耦合效率急剧下降.

图5　光栅在不同栅孔深度的耦合效率

图6　光栅在占空比不同时的耦合效率

综上分析,可以得到光栅的最佳参数,即当P=1.3 μm、h=0.4 μm、d=0.8时,在表面等离激元激发下的Z方向电场达到最大值,光栅耦合效率最高.

3结论

为了提高量子阱红外探测器的光探测率及灵敏度,采用3D-FDTD算法,详细分析了表面等离激元作用下光栅参数对垂直入射光相对耦合效率的影响.对于4 μm的入射光,当光栅周期P=1.3 μm,栅孔深度h=0.4 μm,占空比d=0.8时,X-Y平面内Z方向电场值最大,光栅的耦合效率最高.该结果对于中波量子阱红外探测器的优化设计和探测率的提高具有一定的指导意义.

参考文献:

[1]邢伟荣,李杰.量子阱红外探测器最近进展[J].激光与红外,2013,43(2):144-147.

[2]赵永林,李献杰,刘英斌,等.中波-长波双色量子阱红外探测器[J].纳米器件与技术,2008,45(12):689-693.

[3]Mani S,Axel R,Richard D,etal.Status of quantum well infrared photodetector technology at QmagiQ today[J].Infrared Physics & Technology,2011,54(3):194-198.

[4]贺明,王新赛,路建方,等.一种新的红外焦平面阵列非均匀性代数校正算法[J].应用光学,2011,32(6):1217-1221.

[5]LU W,LI L,ZHENG H L,etal.Development of an infrared detector:quantum well infrared photodetector[J].Science in China Series G:Physics,Mecanics & Astronomy,2009,52(7):969-977.

[6]Chang C Y,Chang H Y,Chia Y C,etal.Wavelength selective quantum dot infrared photodetector with periodic metal hole arrays[J].Applied Physices Letters,2007,91(16):163101-163107.

[7]Wei W,Alireza B,Ryan G,etal.A normal-incident quantum well infrared photodetector enhanced by surface plasmon resonance[J].Proceedings of the SPIE,2010,7780:77801A-1.

[8]王科,郑婉华,任刚,等.双色量子阱红外探测器顶部光子晶体耦合层的设计优化[J].物理学报,2008,57(3):1730-1735.

[9]陆卫,李宁,甄红楼,等.红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器[J].中国科学G辑:物理学·力学·天文学,2009,39(3):336-343.

[10]金巨鹏,刘丹,王建新,等.320×256 GaAs/AlGaAs长波红外量子阱焦平面探测器[J].红外与激光工程, 2012,41(4):833-837.

[11]项立,张衡阳.基于表面等离子激元波导透射性能的环形滤波器设计[J].光学技术,2014,40(4):295-301.

[12]WU W,Bonakdar A,Mohseni H.Plasmonic enhanced quantum well infrared photodetector with high detectivity[J].Applied Physics Letters,2010,96(16):161101-161107.

[13]翁钱春,李梁,陈俊,等.长波量子阱红外光电探测器金属光栅耦合的研究——基于金属表面等离子效应[J].红外与毫米波学报,2011,30(5):415-418.

[14]Gunapala S D,Ting D Z,Hill C J,etal.Large area III-V infrared focal planes[J].Infrared Physics &Technology,2011,54:155-163.