[发明专利]一种半导体量子阱光子探测器件

说明书

技术领域

本发明属于光波探测技术领域，具体涉及一种半导体量子阱探测器件。

背景技术

采用量子阱结构的器件是进行光波探测，特别是中远红外波段光波探测的主要技术之一。然而，半导体量子阱结构的光波吸收受该领域广泛认知的“极化选择定律”的限制，即量子阱结构只能吸收具有与量子阱平面垂直非零电场分量的光波，而对实际应用中绝大部分情况出现的垂直入射光波吸收极小，如参见文献1。因而，在实际的器件应用中必须结合侧面倾角入射(如文献2)、光栅耦合(如文献5)或刻蚀槽结构(文献6)等复杂的工艺处理。这些方法不仅增加了工艺的难度、降低了产率，同时还限制了器件的适用领域和性能。为克服这一问题，本发明采用具有亚波长尺度周期性金属结构中的表面等离子体波作为耦合结构，实现量子阱结构对垂直入射光波的有效吸收。

已公开的表面等离子体应用技术主要集中于对化学、生物体系的传感技术，如文献3。而在半导体体系利用表面等离子体的公开技术有利用半导体衬底等效介电响应(如文献4)或半导体禁带跃迁、即产生电子一空穴对从而与表面等离子体波进行耦合。然而，上述已公开的技术存在调谐半导体特征频率与表面等离子体模式匹配度的困难，因为半导体的介电性质、带隙等均为材料自身的特有性质，无法进行方便的、大范围的调节；同时，也无法实现多个表面等离子体模式与半导体中特征频率的耦合，因而限制了在光波探测领域的应用。为克服这一问题，本发明将成熟的半导体能带工程技术与金属周期性结构的表面等离子体技术相结合，利用两者良好的灵活性，实现耦合模式的方便调谐和很宽波长范围内的半导体量子阱光波探测。

参考文献：

[1].J.L.Pan and C.G.Fonstad，Jr.，“Theory，fabrication and characterization of quantum wellinfrared photodetectors”，Mater.Sci.Eng.，R.Vol.28，page 65，2000.

[2].A.Rogalski，“Quantum well photoconductors in infrared detector technology”，J.Appl.Phys.Vol.93，page 4355，2003.

[3].J.Homoda，“Surface Plasmon Resonance Based Sensors”，Springer，ISSN 1612-7617.

[4].D.Wasserman，et al，“Midinfrared doping-tunable extraordinary transmission fromsub-wavelength gratings”，Appl.Phys.Lett.，Vol.90，191102，2007.

[5].Method for optimizing QWIP grating depth，US专利6,172,379。

[6].Polarization-sensitive corrugated quantum well infrared photodetector array，US专利6,410,917。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构设计灵活、制备工艺简单的半导体量子阱光子探测器件，以满足实际光波探测应用在入射光波极化性质(垂直入射光波)、多样化波长范围等方面的需要。

本发明提出的光波探测元件的特征在于：具备在半导体基板上的可进行能带工程设计的量子阱结构；具备金属亚波长周期性结构，其表面等离子体模式可以通过金属周期性结构的设计进行方便的调节；量子阱结构与金属周期性结构之间距离较小(小于波长，即近场范围)，使得金属结构中表面等离子体模与量子阱中子带跃迁具有足够的耦合强度，耦合的频率匹配程度和单频或多频匹配由探测元件的性能需要决定，并通过量子阱和金属的结构优化设计来实现。

量子阱结构的能带工程设计是该领域所熟知的技术，为简明起见，这里不详细描述设计的方法和过程，最终采用的结构可以是单层量子阱层，也可以是多层量子阱、超晶格、量子点层，或者是它们相互间形成的复合结构。量子阱子带能级中基态存在足够的载流子浓度(大于10⁸/cm²)，在入射光激发情况下，可发生从基态至一个或多个激发态的子带跃迁。这继承了半导体结构设计的灵活性以及成熟的工艺技术，使得本发明所涉及的光波探测元件可以根据探测应用的需要，灵活地设计器件的结构。