导模共振集成量子阱红外探测器研究

余昊楠 曹全君 唐伟伟 王林

摘要：      提出一种基于全介质导模共振增强量子阱红外探测器性能的方法， 在7.5～9.0 μm电磁波谱范围内， 利用导模共振， 在量子阱层形成波导模式和光场局域。 该结构的损耗很低， 使得量子阱激活层内的光子寿命很长， 极大地增强了量子阱材料的吸收。 通过优化器件参数， 量子阱的吸收可达95%， 远远高于基于金属等离激元原理增强量子阱器件的吸收。 且该探测器对制作工艺有很高的容忍度。

关键词：     量子阱; 导模共振; 增强吸收; 红外探测器

中图分类号：     TJ760; V248.1文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2019）03-0067-05[SQ0]

0引言

工作在8～10 μm的中红外探测器在夜间探测、 军事侦察和环境监测中都有着非常重要的作用。 以碲镉汞（MCT）为代表的光子探测器是目前应用最广泛的器件之一， 其可以通过调节汞的组分调节材料的带隙， 实现探测波长可调， 但是碲镉汞材料大面积制备困难， 均匀性不高限制了其朝焦平面方向发展， 对于更长的波段， 需要更高组分的汞， 使得制备过程中， 出现大量的汞空位缺陷， 材料制备更困难[1-3]。 而量子阱材料由于吸收的光子能量对应于红外波段， 并且基于GaAs材料的MOCVD生长工艺非常成熟， 该工艺可以获得大面积均匀的GaAs材料并严格控制其组分[4-11]， 可以与传统的半导体焦平面工艺兼容， 因此在红外探测领域中有着巨大的应用前景。

基于此， 研究者们设计了许多增强量子阱吸收的结构， 如45°角入射， 这种设计只适用于单元器件， 对于焦平面器件， 由于多个探测单元集成在同一衬底上， 所以无法采用磨角的方法; 金属表面等离激元结构[12-21]， 具体来说， 有近场效应和耦合波导结构， 这两种结构虽然能增强量子阱的吸收， 但是金属材料本身会引入额外的欧姆损耗， 从而限制了量子阱材料对电磁波的吸收; 还有基于光子晶体耦合电磁波增强量子阱红外探测器性能的方法， 但该方法的制作工艺很复杂[22]。 本文设计了基于全介质结构导模共振增强量子阱红外探测器性能的方法， 该方法工艺简单， 可实现量子阱材料对入射光大于95%的吸收， 极大地增强量子阱紅外探测器的性能。

1器件结构

图1给出了导模共振集成量子阱红外探测器的结构示意图， 包括一维的GaAs光栅、 低折射率的蓝宝石衬底以及中间层。 中间层包括上电极、 20个周期的GaAs/Al0.30Ga0.70As层以及下电极。 最上层一维GaAs光栅的周期Λ=5.6 μm， 宽度a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm， 上电极、 下电极的高度分别

图2给出了导模共振集成量子阱红外探测器的红外吸收谱， 可以看出， 在8.37 μm处接近98%的入射光全部被量子阱吸收。 在该结构中， 量子阱本身超强的吸收来源于光栅衍射波和量子阱层内波导模式的耦合， 当介质光栅衍射波的波矢与波导结构的传播常数相匹配时， 波导的模式将会发生泄漏， 并且与入射电磁波发生耦合， 如图3所示。 由图3可知在共振处（8.37 μm）的电场z分量的分布。 入射电场为TM波， 只含有Ex分量， 但是由于光栅的作用， 使得耦合到波导结构内的电场有很强的Ez分量， 并且局域在量子阱层内， 增强了量子阱材料与电场的相互作用， 从而提高了量子阱红外探测器的性能。 与之前基于金属表面等离激元增强量子阱红外探测器性能的结构相比， 量子阱材料的吸收增强了3倍 [21]， 这主要是由于基于金属表面等离激元效应会额外引入金属的欧姆损耗， 从而限制了量子阱材料吸收。

由于子带间跃迁选择定则的限制， 量子阱材料只能吸收沿着其生长方向的电磁波分量， 即只有Ez才能对子带跃迁有贡献， 定义在xoy面内的Ez2的平均增强因子：

其中： Ez和E0分别代表波导层内电场的z分量和入射电场的值。 导模共振集成量子阱红外探测器中F因子与介质光栅距离s之间的关系如图4所示。 从图中可以看出， 平均的Ez2增强主要分布在激活层的中间区域， 这对于器件的制作工艺非常有帮助。 而对表面等离子体波来说， 由于其电场沿着界面指数衰减， 所以必须把量子阱激活层放在距离金属超材料很近的位置附近。 在该结构中， 当光栅周期Λ=5.6 μm， 线宽a=4.2 μm， 高度h=2.0 μm时， 探测器的光耦合效率η=5.07， 远远高于45°斜角入射的情况（η=0.5）， 表明基于导模共振集成量子阱红外探测器的性能得到了很大的提高。

由于利用导模共振增强量子阱红外探测器的性能主要是基于衍射波与波导模式的耦合， 在量子阱激活层内形成强的电场局域， 从而增强量子阱的吸收， 所以可以通过调节介质光栅的周期来调节量子阱红外探测器的共振位置， 如图5所示。

当保持该结构中的其他参数不变时， 光栅周期增大时， 共振波长增大， 这是由于在量子阱层形成波导共振必须满足的条件：

最后研究了该探测器对结构参数的容忍度。 该结构中量子阱激活层的厚度对共振和吸收的影响如图6所示。

从图中可以看出， 保持波导层的厚度不变， 量子阱激活层厚度从0.5 μm变化到2.2 μm时， 量子阱材料的吸收基本保持不变， 理论上说， 吸收率会随着吸收层厚度增加而增加， 但是也会导致该结构Q因子的降低， 使得吸收减弱。 由此可见， 正是由于吸收层厚度与结构Q因子之间的权衡， 才导致该探测器对激活层厚度有很高的容忍度。 除此之外， 在实际的实验中， 很难制作出完全理想的光栅结构， 特别是严格控制光栅的高度和宽度， 因此， 模拟了该探测器的性能随光栅的高度和宽度的容忍度特性， 如图7所示。

從图中可以看出， 保持其他参数不变， 当光栅的高度从1.8 μm变化到2.4 μm时， 共振波长和量子阱的吸收基本保持不变， 当光栅的宽度从4 μm变化到4.5 μm时， 量子阱的吸收也基本保持不变， 共振波长也只有很小范围的红移， 这是由于该一维介质光栅占空比的变化导致波导上层有效折射率的变化而引起的。 光栅层有效折射率与占空比之间的关系为

3总结

本文研究了基于导模共振增强量子阱红外探测器的方法， 在该结构中， 量子阱本身超强的吸收来源于光栅衍射波和量子阱层内波导模式的耦合， 在量子阱激活层内形成强的电场局域， 并且该结构由于避免了金属的欧姆损耗， 使得该探测器Q因子很高， 提高了局域光子在量子阱层的寿命， 从而使得量子阱本身的吸收最大可达95%以上。 当其他参数保持不变时， 导模的共振特性随着光栅周期的增大而增大， 从而可以实现对该探测器共振位置的调节。 另外， 考虑到工艺的影响， 模拟了光栅的参数对该探测器性能的影响， 发现光栅高度和宽度在器件的制作工艺上都有500 nm的容忍度， 极大地简化了器件的制作工艺。

参考文献：

[1] Baker I M，  Ballingall R A. Photovoltaic CdHgTeSilicon Hybrid Focal Planes[C]∥28th Annual Technical Symposium， San Diego， United States，  1985：  121-129.

[2] Destefanis G，  Baylet J，  Ballet P，  et al. Status of HgCdTe Bicolor and DualBand Infrared Focal Arrays at LETI[J]. Journal of Electronic Materials，  2007，  36（8）：  1031-1044.

[3] Lawson W D，  Nielsen S，  Putley E H，  et al. Preparation and Properties of HgTe and Mixed Crystals of HgTeCdTe[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids，  1959，  9（3）：  325-329.

[4] Lee J J，  Kim J D，  Razeghi M. Room Temperature Operation of 812 μm InSbBi Infrared Photodetectors on GaAs Substrates[J]. Applied Physics Letters，  1998，  73（5）：  602-604.

[5] Krishna S，  Forman D，  Annamalai S，  et al. Demonstration of a 320× 256 TwoColor Focal Plane Array Using InAs/InGaAs Quantum Dots in Well Detectors[J]. Applied Physics Letters，  2005，  86（19）：  193501.

[6] Varley E，  Lenz M，  Lee S J，  et al. Single Bump，  TwoColor Quantum Dot Camera[J]. Applied Physics Letters，  2007，  91（8）：  081120.

[7] Berryman K W，  Lyon S A，  Segev M. MidInfrared Photoconductivity in InAs Quantum Dots[J]. Applied Physics Letters，  1997，  70（14）：  1861-1863.

[8] Phillips J，  Bhattacharya P，  Kennerly S W，  et al. SelfAssembled InAsGaAs QuantumDot Intersubband Detectors[J].  IEEE Journal of Quantum Electronics，  1999，  35（6）：  936-943.

[9] Maimon S，  Finkman E，  Bahir G. Intersublevel Transitions in InAs/GaAs Quantum Dots Infrared Photodetectors[J]. Applied Physics Letters，  1998，  73（14）：  2003-2005.

[10] Pan D，  Towe E. NormalIncidence Intersubband （In，  Ga） As/GaAs Quantum Dot Infrared Photodetectors[J]. Applied Physics Letters，  1998，  73（14）：  1937-1939.

[11] Raghavan S，  Rotella P，  Stintz A，  et al. HighResponsivity，  NormalIncidence LongWave Infrared （λ～7.2 μm） InAs/In0.15Ga0.85As DotsinaWell Detector[J]. Applied Physics Letters，  2002，  81（8）：  1369-1371.

[12] Wang C C，  Lin S D. Resonant CavityEnhanced QuantumDot Infrared Photodetectors with SubWavelength Grating Mirror[J]. Journal of Applied Physics，  2013，  113（21）：  213108.

[13] Vandervelde T E，  Lenz M C，  Varley E，  et al. Quantum DotsinaWell Focal Plane Arrays[J].  IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，  2008，  14（4）：  1150-1161.

[14] Chang C C，  Sharma Y D，  Kim Y S，  et al. A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots[J]. Nano Letters，  2010，  10（5）：  1704-1709.

[15] Lee S J，  Ku Z，  Barve A，  et al. A Monolithically Integrated Plasmonic Infrared Quantum Dot Camera[J]. Nature Communications，  2011（2）：  286.

[16] Yu Z F，  Veronis G，  Fan S H. Design of Midinfrared Photodetectors Enhanced by Surface Plasmons on Grating Structures[J]. Applied Physics Letters，  2006，  89（15）：  151116.

[17] Rosenberg J，  Shenoi R V，  Vandervelde T E，  et al. A Multispectral and PolarizationSelective SurfacePlasmon Resonant Midinfrared Detector[J]. Applied Physics Letters，  2009，  95（16）：  161101.

[18] Sharma Y D，  Jun Y C，  Kim J O，  et al. PolarizationDependent Photocurrent Enhancement in MetamaterialCoupled Quantum DotsinaWell Infrared Detectors[J]. Optics Communications，  2014，  312（1）：  31-34.

[19] Shishodia M S，  Jayaweera P V V，  Matsik S G，  et al. Surface Plasmon Enhanced IR Absorption：  Design and Experiment[J]. Photonics and NanostructuresFundamentals and Applications，  2011，  9（1）：  95-100.

[20] Wang J，  Chen X S，  Li Z F，  et al. Study of Grating Performance for Quantum Well Photodetectors[J]. Journal of the Optical Society of America B，  2010，  27（11）：  2428-2432.

[21] Zhao F Y，  Zhang C，  Chang H T，  et al. Design of Plasmonic Perfect Absorbers for QuantumWell Infrared Photodetection[J]. Plasmonics，  2014，  9（6）：  1397-1400.

[22] Kalchmair S，  Detz H，  Cole G D，  et al. Photonic Crystal Slab Quantum Well Infrared Photodetector[J]. Applied Physics Letters，  2011，  98（1）：  011105.

[23] Palik E D. Handbook of Optical Constants of Solids[M].Orlando， Florida， USA： Academic Press Inc， 1985.

[24] Bao G，  Huang K. Computational Design for GuidedMode Grating Resonances[J]. Journal of the Optical Society of America，  2005，  22（7）：  1408-1413.

[25] Liu W X，  Li Y H，  Jiang H T，  et al. Controlling the Spectral Width in Compound Waveguide Grating Structures[J]. Optics Letters，  2013，  38（2）：  163-165.