[发明专利]一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种表面等离子体增强的铝镓氮(AlGaN)基量子阱子带间跃迁红外探测器及制备方法，可广泛用于光电探测等领域。

背景技术

中红外波段包含两个大气窗口，分别在3-5μm、8-12μm，工作在这一波段的探测器可以提供红外侦察、制导等军事用途，广泛应用于资源卫星、气象卫星以及高性能红外成像。

近年来，第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)材料体系AlGaN/GaN多量子阱红外探测器，由于材料生长、探测波段和器件性能的优势逐渐成为研究和应用领域的热点。相比于窄禁带半导体砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)材料体系，氮化物材料有更高的热导率和击穿场强，并且其拥有更好耐高温、抗腐蚀性能。相比于目前广泛使用的II-VI族碲镉汞材料红外探测器而言，AlGaN基量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector-QWIP)有着明显的优势。基于III-IV材料的AlGaN基量子阱红外探测器可以通过对势阱宽度和势垒高度进行人工裁剪，在量子阱子带之间形成合适的光跃迁进行红外光的吸收探测。其探测器光谱响应窄，容易实现双色或多色单片集成。红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。III族氮化物材料的AlGaN基量子阱红外探测器由于半导体器件工艺成熟，很容易利用其制作单色或者多色焦平面器件。

然而，AlGaN基量子阱红外探测器会受到子带间跃迁选择定则的限制，量子阱只能吸收电场方向平行于量子阱生长方向的红外光，也就是说探测器在正入射条件下无法正常工作。通常实验中采用45°端面磨角的耦合方式解决这个问题，尽管这种方式简单有效，但是这种方法只能运用于单片测试，无法应用于焦平面阵列中。因此设计制作表面光耦合器，实现正入射条件下可工作的单元器件是AlGaN基量子阱红外探测器亟待解决的问题，也是实现焦平面红外探测阵列的基础。

传统的一维光栅可以通过光栅结构处光的折射和衍射，使入射光产生平行于量子阱方向的光分量，但耦合效率较低。在一维光栅的基础上，将周期结构拓展到二维结构，可以得到耦合效率更高的二维光栅结构。实验发现，金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP), 一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。同时，如果在金属表面引入周期性、准周期性、或者其他排列方式的纳米结构时,表面等离子体波会受到复杂多样且可控制的调控,包括速度、色散、群速度色散、散射、衍射、干涉等在内的许多传输性质将发生改变。当光正入射到金属光栅上时，二维金属光栅可以在其表面形成金属自由电子和入射光子的耦合共振波，其电场方向平行于量子阱的生长方向，且在近场范围内有增强作用，而量子阱的位置正好处于近场范围内，所以量子阱不仅可以吸收到光子，而且光强会得到增强。

发明内容

本发明的目的在于解决上述提到的关键问题，设计并制作出用于探测波长为3-5μm红外光的基于表面等离子体激元近场增强效应耦合光栅的AlGaN基量子阱子带间跃迁红外探测器，本发明的另一目的是提供一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器制备方法。在AlGaN基量子阱红外探测器表面制作二维周期性光栅结构，满足表面等离子体激元的激发条件，实现对光的耦合增强。同时通过合理设计光栅阵列的尺寸、周期等结构参数，可以实现探测波长的筛选，减少其他波段的光入射带来的干扰。

本发明的技术方案为：一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器，该探测器结构包括蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上依次生长的低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、本征AlGaN层、n型AlGaN下接触层、AlGaN/GaN多量子阱层以及n型AlGaN上接触层；n型AlGaN上接触层之上的二维金属光栅层。AlGaN/GaN多量子阱结构的Al组分为30%~40%，GaN势阱厚度为2~3nm，AlGaN势垒厚度为6~8nm，量子阱个数为20~40。二维金属光栅为圆柱形空气孔阵列，圆柱孔直径为1~2μm。二维金属光栅为方形空气孔阵列，孔边长为1~3μm。二维金属光栅为正方形排列，阵列周期为2~3μm。二维金属光栅为六角形，阵列周期为3~4μm。二维金属光栅，材料为Au或者Ag，厚度为100nm~150nm。