專利名稱：一種太赫茲、紅外頻段靈敏光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靈敏光子探測器。
背景技術(shù)：
太赫茲、紅外探測技術(shù)在冷戰(zhàn)軍備競賽期間就獲得研制和應(yīng)用，由于其優(yōu)良的隱蔽性和有效性而被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體制備技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和微電機(jī)械加工(MEMQ技術(shù)的發(fā)展，太赫茲、紅外探測器技術(shù)取得了極大進(jìn)展，紅外焦平面陣列技術(shù)是這種技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。用于太赫茲、紅外頻段的光電探測器通過半導(dǎo)體帶間躍遷對外界入射波做出響應(yīng)，提高量子轉(zhuǎn)換效率、降低暗電流是提高探測器精度的重要手段。在可見光波段，單晶硅的量子效率非常高，其自身的暗電流非常微弱，是可見光成像等系統(tǒng)的首選材料，但其吸收邊在1.1微米。在長波，單晶硅材料對光沒有任何響應(yīng)。用于紅外，太赫茲波段探測器的半導(dǎo)體材料主要是碲鎘汞，銻化銦，砷化鎵等。這些材料在紅外有很寬頻的電響應(yīng)，同時(shí)也有高的熱噪聲電流水平和相對低的量子效率，影響了紅外探測的探測靈敏值。量子阱探測器可以通過結(jié)構(gòu)增強(qiáng)特定波長的吸收率，但是其量子效率也提升的有限，目前主要通過降低探測器的溫度提升太赫茲，紅外探測器探測精度，但是龐大和昂貴的低溫系統(tǒng)大大限制了這類探測器的使用范圍。并且低溫環(huán)境下的探測器的量子效率也不高，例如工作在14. 5微米的鋁鎵砷紅外量子阱探測器其量子效率也只有10%左右。量子阱結(jié)構(gòu)只在一個(gè)維度對電子波函數(shù)進(jìn)行限制，因此對正入射的光波沒有響應(yīng)，用于紅外探測器陣列的量子阱結(jié)構(gòu)必須在探測器頂層加一層光柵結(jié)構(gòu)，普通光柵的衍射效率并不是很高，最后導(dǎo)致了實(shí)際使用的量子阱探測器探測水平低下。本發(fā)明利用一種平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁諧振增強(qiáng)半導(dǎo)體材料里面的電磁場，從而大大增強(qiáng)太赫茲、紅外探測器的量子效率和探測水平，抑制太赫茲、紅外探測器的暗電流水平。提高光電流大小，實(shí)現(xiàn)太赫茲、紅外靈敏光子探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲、紅外頻段靈敏光子探測器，其利用金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)放大半導(dǎo)體材料中光場100倍以上，實(shí)現(xiàn)微弱信號探測。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明需包含平面金屬結(jié)構(gòu)層、半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層、下底板金屬層，下底板金屬層作為整體結(jié)構(gòu)的支撐層，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層和平面金屬結(jié)構(gòu)層由下往上依次疊在該下底板金屬層上。平面金屬結(jié)構(gòu)層和下底板金屬層為探測器的電極，光信號由半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換為電信號。與普通光電探測器相比，金屬結(jié)構(gòu)層、下底板金屬層與半導(dǎo)體層產(chǎn)生的磁諧振能放大光電場兩個(gè)數(shù)量級，半導(dǎo)體層電場垂直于金屬結(jié)構(gòu)層，大大提高光電探測器效率， 實(shí)現(xiàn)靈敏光子探測。本發(fā)明的平面金屬結(jié)構(gòu)層由一維或者二維周期陣列排布的金屬單元組成，或者由同心排列的多個(gè)圓環(huán)組成，金屬單元的縫隙小于周期長度的五分之一。平面金屬結(jié)構(gòu)層和下底板金屬層的表面反向誘導(dǎo)電流產(chǎn)生可以產(chǎn)生高頻和低頻兩種磁諧振，1)當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)的周期與半導(dǎo)體材料中的波長相近時(shí)，產(chǎn)生高頻磁諧振態(tài)表現(xiàn)為高相干表面態(tài)，對正入射光波相當(dāng)敏感，而對斜角度入射光波沒有響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)靈敏光子探測；2)當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)的周期遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料中的波長時(shí)，產(chǎn)生低頻磁諧振態(tài)對所有角度入射的光波都有很好的響應(yīng)，可以應(yīng)用于高靈敏太赫茲、紅外成像系統(tǒng)。平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬單元可以是金屬長條，也可以是金屬方塊、金屬長方塊、金屬圓片或金屬圓環(huán)等，由于探測器工作在太赫茲和紅外波段，金屬都表現(xiàn)為理想金屬，因此金屬種類的選擇對探測器的性能并沒有影響。半導(dǎo)體層是工作在太赫茲、紅外頻段的普通半導(dǎo)體光電或者光伏材料，比如砷化鎵/鋁鎵砷量子阱結(jié)構(gòu)，碲鎘汞p-n結(jié)等，其吸收中心波長設(shè)計(jì)在探測頻率附近。該層受太赫茲、紅外頻段光子照射后，能轉(zhuǎn)換為電信號，但工作在太赫茲、紅外波段的半導(dǎo)體材料本身量子效率很低，暗電流水平較高；本發(fā)明利用上表面金屬結(jié)構(gòu)和下底板金屬層產(chǎn)生的磁諧振相干表面態(tài)能放大半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層的電磁場，從而增加光電轉(zhuǎn)換層的量子效率，抑制暗電流的形成，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲、紅外頻段靈敏光子探測。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1、由于本發(fā)明由平面金屬結(jié)構(gòu)層、半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層和下底板金屬層構(gòu)成的磁諧振態(tài)能放大半導(dǎo)體層的電磁場100倍以上，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層的電場垂直與金屬結(jié)構(gòu)層， 因此大大增強(qiáng)半導(dǎo)體材料的量子效率。顯著提升了光電流大小，探測器可以在常溫工作。2、場增益的頻率主要由平面金屬結(jié)構(gòu)層的周期和半導(dǎo)體層的介電常數(shù)決定，因此工作頻率可以由結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)，覆蓋太赫茲、紅外頻段。3、本發(fā)明的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高頻諧振態(tài)是高相干表面態(tài)，表面態(tài)的相干性導(dǎo)致了對入射光的響應(yīng)角度非常小，半高寬可小于5度，空間分辨率相當(dāng)高，可用于目標(biāo)探測等系統(tǒng)。4、本發(fā)明的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的低頻諧振態(tài)對入射光的入射角不敏感，可用于太赫茲、紅外成像系統(tǒng)。5、本發(fā)明可以很方便地制作成紅外探測器陣列。6、整體結(jié)構(gòu)由三層平面結(jié)構(gòu)組成，加工容易，價(jià)格便宜。7、本結(jié)構(gòu)亦可用于基于熱釋電材料的光電探測器。


圖IA為本發(fā)明第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖IB為本發(fā)明平面金屬結(jié)構(gòu)層的示意圖一。圖2A為本發(fā)明第一實(shí)施例的吸收頻譜圖。圖2B為本發(fā)明第一實(shí)施例的吸收角度譜圖。圖3A為本發(fā)明第二實(shí)施例的吸收頻譜圖。圖;3B為本發(fā)明第二實(shí)施例的吸收角度譜圖。圖4為本發(fā)明平面金屬結(jié)構(gòu)層的示意圖二。圖5為本發(fā)明平面金屬結(jié)構(gòu)層的示意圖三。
圖6為本發(fā)明平面金屬結(jié)構(gòu)層的示意圖四。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例圖1是顯示本發(fā)明的太赫茲、紅外波段靈敏光子探測器的第一實(shí)施例圖案示意圖。本發(fā)明的第一實(shí)施例由平面金屬結(jié)構(gòu)層1、半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層2和下底板金屬層3組成， 在平面金屬結(jié)構(gòu)層1包含一維周期金屬帶結(jié)構(gòu)，周期選取6. 1微米，而金屬縫隙采取0. 2微米，平面金屬結(jié)構(gòu)層1厚度為0. 2微米，整體結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，很容易加工實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明第一實(shí)施例下底板金屬除了其增強(qiáng)探測器吸收率的作用外，還起到支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用，可以是比較厚的金屬層，可以根據(jù)具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)此金屬層3和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層2 是電接觸，還起到電極的作用。同樣上表面金屬結(jié)構(gòu)層1也起到電極的作用，此設(shè)計(jì)很方便應(yīng)用于探測器陣列，預(yù)期在紅外焦平面探測器上有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。本發(fā)明第一實(shí)施例工作波長設(shè)計(jì)在15微米遠(yuǎn)紅外靈敏光子探測器，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層2采用砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/AlxGai_xAS)量子阱結(jié)構(gòu)，砷化鎵/鋁鎵砷量子阱結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)勢壘層鋁的組分和勢阱層的厚度來調(diào)節(jié)其探測的波長和帶寬，所采用的量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，整個(gè)結(jié)構(gòu)厚度為789納米，吸收中心波長為15微米。但是紅外波段背景暗電流較大，因此探測器的量子轉(zhuǎn)換效率很低，工作在15微米的量子阱結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)一般在500cm—1以下，量子轉(zhuǎn)換效率一般小于10%。量子阱結(jié)構(gòu)對電子波函數(shù)只有一個(gè)維度的限制，因此對于正入射的入射光并沒有響應(yīng)，普通探測器通常把襯底磨成一個(gè)斜劈或者在量子阱層的附近可增加一個(gè)光柵結(jié)構(gòu)來增加入射光和探測器的耦合效率。本發(fā)明第一實(shí)施例的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁諧振表面相干態(tài)能放大量子阱層的光電場，同時(shí)電場偏振方向垂直于量子阱結(jié)構(gòu)，使入射光和量子阱的耦合效率達(dá)到最大。圖2A顯示為本發(fā)明第一實(shí)施例對入射光的理論計(jì)算吸收譜，如圖所示，第一實(shí)施例在半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)僅為lSOcnT1時(shí)，對20. OTHz (15微米)的紅外電磁波的吸收率達(dá)到100%，達(dá)到靈敏探測效果。此吸收峰是利用本發(fā)明的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的高諧振峰增強(qiáng)對入射光的吸收率，在具有高靈敏度的同時(shí)，對入射光的方向很敏感，具有高空間分辨率。圖2B顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例在20. THz (15微米)的吸收角度譜，如圖所示，此吸收峰只對(_7，7)度角入射光有吸收。上述實(shí)施例只是本發(fā)明的太赫茲、紅外靈敏光子探測器裝置應(yīng)用在對入射光入射角有高分辨需求的一個(gè)較佳實(shí)施例，本發(fā)明太赫茲、紅外靈敏光子探測器還可以實(shí)現(xiàn)對入射光大角度都有很好響應(yīng)的探測器，在第二實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層1還采取第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和尺寸，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層2的量子阱結(jié)構(gòu)的吸收中心波長設(shè)計(jì)在30微米，吸收系數(shù)取300CHT1，圖3A顯示為本發(fā)明第二實(shí)施例對入射光的理論計(jì)算吸收譜，表明第二實(shí)施例能有效吸收頻率為6. ITHz的太赫茲波，圖:3B顯示為此頻率的吸收角度譜，表明第二實(shí)施例能有效吸收入射角為(-70，70)度范圍內(nèi)入射波。本發(fā)明第二實(shí)施例能對大角度入射光波有很靈敏的響應(yīng)，電極處于半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層的上下兩面，可以很方便的應(yīng)用于太赫茲、 紅外焦平面探測器用于高精度成像系統(tǒng)。本發(fā)明太赫茲、紅外靈敏光子探測器的各個(gè)單元中的圖案不限于上述第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的形狀，圖4、圖5和圖6分別顯示本發(fā)明第三、第四和第五實(shí)施例上表面金屬結(jié)構(gòu)層1的形狀。在第三實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層1的周期單元為正方形的金屬片，正方形貼片結(jié)構(gòu)對入射光的偏振方向沒有選擇，因此可以同時(shí)探測P波和s波。第四實(shí)施例中， 平面金屬結(jié)構(gòu)層1周期單元為同軸金屬圓環(huán)，可以有效降低探測頻率。第六實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層1采取同心排列的多個(gè)圓環(huán)組成，此結(jié)構(gòu)在柱坐標(biāo)里可以和直角坐標(biāo)的一維排列的金屬條結(jié)構(gòu)相類比。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對入射光電場放大100倍以上，提高半導(dǎo)體材料量子效率，實(shí)現(xiàn)微弱信號探測。且本發(fā)明為平面結(jié)構(gòu)、加工簡單方便、成本低廉。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。表 權(quán)利要求
1.一種太赫茲、紅外頻段靈敏光子探測器，其特征在于其包括平面金屬結(jié)構(gòu)層、光電轉(zhuǎn)換層及下底板金屬層，下底板金屬層作為支撐結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換層和平面金屬結(jié)構(gòu)層依次由下往上疊在下底板金屬層之上。
2.如權(quán)利要求1所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述下底板金屬層與光電轉(zhuǎn)換層之間為電連接，下底板金屬層與平面金屬結(jié)構(gòu)層作為探測器電極，光信號由光電轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換為電信號。
3.如權(quán)利要求1所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述平面金屬結(jié)構(gòu)層由一維或者二維周期陣列排布的金屬單元組成，或者由同心排列的多個(gè)圓環(huán)組成。
4.如權(quán)利要求3所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述金屬單元為金屬長條。
5.如權(quán)利要求3所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述金屬單元為金屬方塊、金屬長方塊、金屬圓片或金屬圓環(huán)。
6.如權(quán)利要求3所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述平面金屬結(jié)構(gòu)層金屬單元的縫隙小于周期長度的五分之一。
7.如權(quán)利要求1所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換層為半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換層，其采用工作在太赫茲、紅外頻段的半導(dǎo)體光電或者光伏材料。
8.如權(quán)利要求1所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換層為熱釋電材料。
9.如權(quán)利要求7所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換層的材料采用量子阱、超晶格結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體材料Pn結(jié)。
10.如權(quán)利要求9所述的靈敏光子探測器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換層采用砷化鎵/ 鋁鎵砷量子阱結(jié)構(gòu)，碲鎘汞pn結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明一種太赫茲、紅外頻段靈敏光子探測器，其包括平面金屬結(jié)構(gòu)層、光電轉(zhuǎn)換層及下底板金屬層，下底板金屬層作為支撐結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換層和平面金屬結(jié)構(gòu)層依次由下往上疊在下底板金屬層之上。下底板金屬層與光電轉(zhuǎn)換層之間為電連接，下底板金屬層與平面金屬結(jié)構(gòu)層作為探測器電極，光信號由光電轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)靈敏光子的探測。本發(fā)明的光電探測器效率高，且結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉。
文檔編號H01L31/09GK102237432SQ20101016941
公開日2011年11月9日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者余興, 張冶文, 曹揚(yáng), 李宏強(qiáng), 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請人:同濟(jì)大學(xué)