平面漏斗形微腔集成的高性能长波红外探测器

兰梦珂，周 靖，陈爱英

（1.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093；2.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海 200083）

对于红外光电器件，如果减小材料尺寸同时保持吸收效率，则可以实现低的暗电流，快的响应速度，高效的载流子收集，从而提高其性能。表面等离激元是存在于金属与介质界面的电磁波和自由电子的集体振荡的耦合激发模式，特点在于电磁场被局限在金属表面很小范围内，突破光学衍射极限，且光场增强数倍至数十倍，因此，等离激元结构可以实现亚波长光约束和局域增强，其中等离激元微腔在所有等离子体结构中，有光耦合效率高，共振易调谐，角度不敏感以及与光电器件结构良好兼容性等明显优点。等离激元微腔结构是由光学天线层、介质间隔层、金属反射面构成，光学天线与金属反射面之间存在等离激元波导模式，并能够在侧向形成类Fabry-Perot 的共振，从而产生局域强场。等离激元微腔结构已经被用来提高GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器（quantum well infrared photodetector，QWIP）的 性能。通过把亚波长小体积的量子阱材料嵌入等离激元微腔（代替介质间隔层），利用等离激元微腔共振产生的局域强场提高量子阱的光吸收，使得具有较低暗电流的小体积探测材料的光吸收率不降反升，从而提高探测率。随着半导体技术的发展，成熟的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料生长技术可以提供非常精确的成分和均匀性控制。因此，以GaAs/AlGaAs量子阱为代表的量子材料凭借能带可设计、稳定性高、均匀性好、与材料加工兼容性好等优点受到广泛关注，也成为红外光电探测器件的重要候选材料。由于量子阱材料只对电场垂直于多层GaAs/AlGaAs 薄膜的光敏感，且子带间跃迁效率比较低，必须采用光耦合结构将入射光耦合成特定的光子模式，使其获得垂直电场分量和局域场的增强。将等离激元微腔结构应用于量子阱材料可以使其吸收对原本不吸收的正入射光，并且提高其光吸收率，实现光电器件高效的载流子收集，降低暗电流，从而提高器件的探测响应率。本文在等离激元微腔结构的基础上，通过设计平面漏斗形光学天线压缩光子模式体积，相应地减小探测材料体积，从而进一步提高探测性能。我们针对10.55 μm 的工作波长，设计了平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP，使其*相对于一般等离激元微腔集成的QWIP 的*提高了10%～15%。

1 模拟方法

本文使用有限元方法对器件的光学特性进行数值仿真。有限元法(finite element method)是一种高效能、常用的数值计算方法，常应用于流体力学、电磁力学、结构力学的研究。有限元方法的求解步骤为：首先根据实际问题确定求解区域，采用离散化策略将待解区域划分为有限个形状、大小不同的相连单元，即有限元的网格划分，然后这些有限个单元场函数的集合就能近似代表整个待解区域的场函数。根据麦克斯韦电磁方程可建立有限个待定参量的代数方程组，最后求解此离散方程组就得到结果。设计的等离激元微腔集成的量子阱红外探测器结构，自下而上依次为100 nm 的Au 作为底部金属反射层，200 nm 的GaAs 下电极层，105 nm 的单层量子阱（由5 nm 宽的GaAs 势阱和50 nm 宽的AlGaAs 势垒组成），200 nm 的GaAs 上电极层，100 nm 的Au 作为顶部光学天线层。通过刻蚀形成真实的微腔界面来增强微腔边界的反射，可以用来提高等离激元微腔中量子阱材料的吸收，抑制金属材料的欧姆损耗。

量子阱材料具有各向异性，可等效类比于单光轴晶 体，其介电常 数由一个 对角张 量diag (,,)描述；关于量子阱材料介电常数的描述，在量子阱平面上的轴和轴方向的介电常数值取E，垂直于量子阱的轴方向的介电常数 E用洛伦兹振子模型表示为：

图1 是单周期量子阱结构图和量子阱层介电常数的实部和虚部，黑色实线为实部，黑色点线为虚部。

图1 单周期量子阱层的结构图和等效介电常数Fig.1 Structure diagram and equivalent dielectric constant of single-period quantum well layer

2 等离激元微腔集成的QWIP

2.1 等离激元微腔集成的单QWIP

图2 是两种等离激元微腔集成的单量子阱红外探测器结构，以及它们的吸收谱和光场的分量的分布情况。图2(a)是一般等离激元微腔集成的QWIP 的单周期结构；其在轴方向和轴方向的周期都是3.7 μm（P=P=3.7 μm）；在轴方向由下至上依次为100 nm 的Au 作为底部金属反射层，200 nm 的GaAs下电极层（重掺杂1×10cm），105 nm 的单量子阱层（AlGaAs (50 nm)/GaAs (5 nm)/AlGaAs (50 nm)），200 nm 的上电极层（重掺杂1×10cm），100 nm 的顶部金属天线结构：边长是1.7 μm（=1.7 μm）的正方形；利用刻蚀方法去除没有顶层金属天线覆盖的半导体材料，以减小材料体积，降低暗电流，并且提高光场束缚强度。图2(b)是平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP 的单周期结构；在轴方向由下至上的每层结构的材料和厚度与图2(a)相同，顶部平面漏斗形光学天线的结构参数如下，=1 μm，=0.6 μm，=2.2 μm，L=0.55 μm，L=1.15 μm。如图2(c)所示，两种等离激元微腔集成的QWIP 结构都在10.55 μm 波长处达到共振；黑色曲线代表一般等离激元微腔集成的QWIP 中量子阱的吸收率谱，10.55 μm 波长处的峰值吸收率为0.37；红色线条代表平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP 中量子阱的吸收率谱，10.55 μm 波长处的峰值吸收率为0.33。量子阱的吸收率的表达式为：

图2 两种不同的等离激元微腔集成的单量子阱红外探测器结构图及它们的吸收谱和光场分布情况Fig.2 Structure diagram of single quantum well infrared detectors integrated with two different plasmon microcavities,as well as their absorption spectrum and light field distribution

式中：为吸收率；S为入射光的波印廷矢量的分量；对其dd的面积分（即×）代表入射到离激元微腔集成的QWIP 结构的光功率；d为QW 的体积分；E为量子阱层分量的电场强度；E为量子阱层分量的介电常数；分子为QW 的光吸收总和。

从峰值吸收率来看，两种等离激元微腔集成的QWIP 结构相差不多。而平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP 的优势在于其探测材料的体积（正比于顶层光学天线结构的面积）减小了38%。一般等离激元微腔的正方形光学天线的面积为2.89 μm，而平面漏斗形光学天线表面积为1.787 5 μm。平面漏斗形等离激元微腔能够在体积减小38%的情况下获得与一般等离激元微腔相当的光吸收率的物理机制是平面漏斗形光学天线基于尖端效应实现了局域光场分量将近100%的增强，如图2(d)和图2(e)所示。当沿轴方向偏振的平行光入射到器件上时，激发起金属和半导体层界面的表面等离子体波，上下两个金属-半导体界面的等离子体波耦合形成等离激元波导模式；该模式在横向传播时受到等离激元微腔有限尺寸的限制，在特定波长处产生共振，形成等离激元微腔波导模式及局域场E的显著增强。等离子体天线能够将光从自由空间转换到亚波长空间，有利于在纳米尺度上操纵光。等离激元微腔不仅可以降低QWIP 器件的暗电流，而且不牺牲其光吸收率。相对于一般的等离激元微腔结构，平面漏斗形等离激元微腔激发的等离激元波导模式在向尖端传播过程中，波矢增加群速度变慢，在尖端形成能量聚集和强局域场。

如图2(d)和图2(e)所示，一般等离激元微腔的共振模式的局域场均匀分布在两侧，最强的是入射光场的6～7 倍。平面漏斗形等离激元微腔的共振模式的局域场集中在漏斗的尖端，最强的是入射光场的11～12 倍。天线耦合微腔的几何形状能够影响光子模式的体积以及光场的分布，从而改变QWIP 的光电耦合特性。漏斗形金属天线贴片的等离激元微腔结构中，发生耦合的SPPs 波向尖端传播，波矢增加群速度变慢，因此，在尖端形成能量聚集和强局域场。两者吸收峰值相差不大，漏斗形的微腔结构将光场集中在一端，且漏斗形红外探测器结构的金属天线平面较小、体积也更小，暗电流也更小。

QWIP 的探测性能用D表示：

式中：为探测器的响应率，与量子阱的吸收率成正比；为器件光接收面积，对于一般等离激元微腔集成的QWIP 与平面漏斗形等离激元微腔的QWIP，都等于P×P；为光电导增益(每个被吸收的光子产生的电子数)；为电子电荷；为暗电流，与探测器的几何截面成正比。可见，在、、相等的情况下，比探测率*的值与量子阱探测器的吸收值成正比，与顶部光学天线面积的平方根成反比。由此可得，平面漏斗形等离激元微腔集成QWIP的比一般方形等离激元微腔集成QWIP 的提高了13%。

2.2 量子阱红外探测器焦平面阵列

等离激元微腔集成的量子阱红外探测器在应用中要组成焦平面阵列，因此要用“桥”将周期性的探测器结构连接起来，图3 是两种等离激元微腔集成的单量子阱红外探测器结构组成焦平面阵列，增加了150 nm 宽的“桥”，即=150 nm，在轴方向由下至上的每层结构的材料和厚度与图2(a)相同。图3(a)是一般等离激元微腔集成的QWIP 的焦平面阵列和单周期结构示意图，其、、参数值均未改变。图3(b)是平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP 的焦平面阵列和单周期结构示意图，由于吸收主要集中在顶端，为进一步减小暗电流将底端部分刻蚀掉，使共振峰值响应在10.55 μm 波长处将漏斗形天线的结构做了微调，参数如下：=1.1 μm，=1 μm，=2.4 μm， L＇=0.25 μm， L＇=1.25 μm，镂空部分=0.35 μm，=1.48 μm，=0.825 μm。此时方形金属天线的等离激元微腔集成的量子阱红外探测器的表面积为3.19 μm,漏斗形金属天线的等离激元微腔集成的量子阱红外探测器的表面积为1.581 3 μm，大约是常规等离激元微腔集成的量子阱红外探测器的表面积的50%。

图3 两种不同的等离激元微腔集成的QWIP 平面阵列结构Fig.3 Planar array structures of QWIPs integrated with two different plasmon microcavities

图4 是两种焦平面阵列的等离激元微腔集成的单量子阱红外探测器的吸收谱和光场的分量的分布情况。如图4(a)两种加“桥”等离激元微腔集成的QWIP 结构都在10.55 μm 波长处达到共振；黑色曲线代表一般等离激元微腔集成的QWIP 中量子阱的吸收率谱，10.55 μm 波长处的峰值吸收率为0.37；红色线条代表平面漏斗形等离激元微腔集成的QWIP 中量子阱的吸收率谱，10.55 μm 波长处的峰值吸收率为0.30。如图4(b)和图4(c)所示，一般等离激元微腔的共振模式的局域场均匀分布在两侧，最强的是入射光场的6～7 倍。平面漏斗形等离激元微腔的共振模式的局域场集中在漏斗的尖端，最强的是入射光场的10～11 倍。通过式（2）、式（3）得出，平面漏斗形等离激元微腔集成QWIP 的比一般方形等离激元微腔集成QWIP的提高了15%。

图4 两种不同的等离激元微腔集成的量子阱红外探测器的吸收谱和光场分布情况Fig.4 Absorption spectrum and light field distribution of two different plasmon microcavities integrated quantum well infrared detectors

3 结论

本文提出了漏斗形金属天线贴片的等离激元微腔结构，对其进行电磁学相关模拟分析，得到量子阱层的吸收率有效提高。文中基于有限元方法对相同周期结构的方形金属天线贴片的等离激元微腔集成的 QWIP 和漏斗形金属天线贴片的等离激元微腔集成的QWIP 的吸收率、电场强度分布、强制换行比探测率进行对比分析。阵列结构平面漏斗形结构依然有较好的吸收率和比探测率漏斗形金属天线贴片的等离激元微腔集成的QWIP 可以保持对入射光吸收的同时，减小暗电流，提高响应率。平面漏斗形等离激元微腔集成QWIP 的D比一般方形等离激元微腔集成QWIP 的D提高了10%～15%。该结构的设计可实现较小模式体积的量子阱长波红外探测器件在保持对入射光较好吸收的同时，减小暗电流，提高响应率，对器件微小型发展有一定进步。