專利名稱：一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高太赫茲量子阱光電探測器工作性能的方法，尤其是一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法。本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)波是指電磁波譜中頻率從IOOGHz到30THz (ITHz = IO12Hz)，相應(yīng)波 長從3毫米到10微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區(qū)域。長期以來由于缺乏高效 的THz源和高靈敏度的檢測手段，使得這一波譜區(qū)成為整個電磁波譜中存留的唯一未被充 分開發(fā)利用的區(qū)域。THz技術(shù)應(yīng)用的核心部件之一是THz探測器。目前發(fā)展較為成熟的THz探測器包括 廣泛應(yīng)用于THz時域譜技術(shù)的電光晶體探測器；基于LiTaO3晶體的單元和陣列焦熱電探測 器，此類探測器有較高探測靈敏度、寬光譜響應(yīng)范圍和室溫工作的優(yōu)點；高靈敏度Si熱釋 電探測器；應(yīng)用于宇宙微波、THz背景輻射觀測的基于低溫超導(dǎo)薄膜的約瑟夫森結(jié)和熱電 子熱釋電外差THz探測器。基于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的太赫茲量子阱探測器(THzQWP)于2004 年研制成功。此探測器的材料體系為GaAs，器件結(jié)構(gòu)包括上電極和下電極，之間有十幾到幾 十層GaAs/(Al，Ga)As多量子阱，摻雜的電子被束縛在量子阱中，襯底為半絕緣GaAs。從工作原理上看，THzQffP是一種子帶間躍遷型(ISBT)探測器，無光照時，電子處 于量子阱的束縛態(tài)中，在THz光場作用下，量子阱中的電子吸收光場能量，由束縛態(tài)躍遷到 連續(xù)態(tài)或準連續(xù)態(tài)，在外加偏壓的作用下形成光電流，從而實現(xiàn)對THz波的探測。然而根據(jù) 量子力學(xué)，ISBT的選擇定則決定了這種類型的探測器只能夠探測光場中平行于量子阱生長 方向(ζ方向)的偏振分量。這就是說，如果入射光沿著器件的生長方向照射(器件的正面 或背面，即通常所說的正入射和背入射)，ISBT不會發(fā)生，也不會產(chǎn)生光電流。因此，通常的 做法是將光斜入射到器件中，使得入射光場包含平行于量子阱生長方向的偏正分量，比如 沿著QWP表面的布魯斯特角方向入射，或者是將QWP的端面磨成45度角，再沿著這個端面 入射。在THz的諸多應(yīng)用中，與國防安全和醫(yī)療診斷相關(guān)的一項重要應(yīng)用是THz實時成 像。這就需要將探測器組合成焦平面陣列，入射光須垂直于焦平面。所以對于THzQWP焦 平面陣列，以上提到的斜入射方案不再適用，而一般的做法是在器件表面加工一層光柵，將 垂直于量子阱生長方向的偏振電場部分轉(zhuǎn)化為沿平行方向的偏振，以實現(xiàn)正入射情況下的 ISBT0因此，研究光柵THzQWP的響應(yīng)率，提高其工作性能，對THz實時成像的研究和實現(xiàn)具 有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題在于提供一種一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響 應(yīng)率的優(yōu)化方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器包括器件及器件表面的光柵，包括如下步驟1)模擬正入射到器件表面的太赫茲光經(jīng)過光柵后進入器件發(fā)生衍射的光場分布， 計算一級衍射模垂直于器件表面方向的波長λ ± ；2)根據(jù)所述波長λ ±優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)在器件機械性能允許的范圍內(nèi)減薄器件的襯 底，使器件的總厚度L為所述波長λ ±的整數(shù)倍。其中，器件的總厚度L不包括光柵的厚度。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟1) 中采用模式展開法結(jié)合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行模擬。進一步地，步驟1)采用模式展開法結(jié)合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行 模擬的具體步驟為將光柵中的光場按TE和TM兩種偏振模式分別展開，將其他區(qū)域的光場 分布按瑞利模式展開，結(jié)合光在多層膜結(jié)構(gòu)中的傳輸矩陣，應(yīng)用器件外與光柵區(qū)、光柵區(qū)與 器件內(nèi)兩交界處的邊界條件，聯(lián)合求解出所述光場分布。其中，TE和TM分別指橫電波和橫 磁波。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟1)中采用4 =計算波長λ ±，其 中h為入射波在真空中的波矢，ε為GaAs的介電函數(shù)，θ為一級衍射模衍射角由光柵周 期d決定。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟2)中減薄器件的襯底采用研磨、拋光和濕法腐 蝕的方法進行。進一步地，減薄器件的襯底包括以下步驟首先使用研磨機研磨襯底；然后使用 拋光機對襯底拋光，從而使研磨后的襯底表面平整和光滑；最后采用濕法腐蝕襯底，以實現(xiàn) 對襯底厚度的精確控制。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括調(diào)整上電極層厚 度，使多量子阱位于所述光場分布中的強光場區(qū)域。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括增加多量子阱層 數(shù)，使多量子阱位于所述光場分布中的強光場區(qū)域。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括調(diào)整上電極層厚 度，同時增加多量子阱層數(shù)，使多量子阱位于所述光場分布中的強光場區(qū)域。本發(fā)明的有益效果在于該方法可提高一維光柵太赫茲量子阱光電探測器的工作 性能，優(yōu)化其響應(yīng)率，對THz實時成像的研究和實現(xiàn)具有重要的意義。


以下是對本發(fā)明涉及的各示意圖的闡述。圖1為典型的一維光柵THzQWP器件結(jié)構(gòu)圖。圖2a_2b為入射光經(jīng)過衍射光柵后的衍射過程示意圖，其中圖2b為圖2a中的多 量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實施例中入射光經(jīng)過衍射光柵衍射的光場分布模擬示意圖。圖4為典型的一維光柵THzQWP中的衍射光場能量分布圖。圖5為一維光柵THzQWP中衍射場Ez分量的平均能量隨器件厚度變化關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，以一個實際的光柵THzQWP器件為例，進一步說明本發(fā)明的具體實 施方式。光柵THzQWP 器件編號Grt-V266_17。
Grt-V266-17 的探測頻率 5· 315THz。該光柵THzQWP器件如圖1所示，由THzQWP器件和器件表面的金屬一維光柵組 成，其中THzQWP器件由襯底以及其上的多量子阱結(jié)構(gòu)組成。此THzQWP器件的材料體系 為GaAs，多量子阱結(jié)構(gòu)包括上電極層和下電極層，上、下電極層之間有十幾到幾十層GaAs/ (Al，Ga)As多量子阱層，摻雜的電子被束縛在量子阱中，襯底為半絕緣GaAs。其具體的結(jié) 構(gòu)參數(shù)如下光柵周期d = 20 μ m，光柵金屬條材料為金，條寬d-a = 10 μ m,金屬條厚度 δ = 0. 38 μ m;多量子阱層的總厚度為2. 64 μ m，上電極層厚度為0.4 μ m，下電極層厚度為 0. 8 μ m ；半絕緣GaAs襯底的初始厚度為448 μ m。圖2a_b給出了器件結(jié)構(gòu)和入射光經(jīng)過光柵后發(fā)生衍射的示意，THz入射光沿ζ軸 方向入射(正入射)到器件表面，器件的總厚度L等結(jié)構(gòu)參數(shù)也在圖中標出。金屬光柵的 周期及金屬條寬是根據(jù)經(jīng)典光柵方程設(shè)計的，一般情況下周期d略大于THz入射光在器件
材料中的波長乂^，其中λ為THz入射光在真空中的波長，ε為器件材料的介電函數(shù)；金
屬條寬一般取周期的一半。首先，根據(jù)上述光柵的參數(shù)及器件結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)，使用模式展開法結(jié)合多層 膜傳輸矩陣法對衍射光場進行分析，得到器件中的光場分布。進行模擬的具體步驟為將光 柵中的光場按TE和TM兩種偏振模式分別展開，將其他區(qū)域的光場分布按瑞利(Rayleigh) 模式展開，結(jié)合光在多層膜結(jié)構(gòu)中的傳輸矩陣，應(yīng)用器件外與光柵區(qū)、光柵區(qū)與器件內(nèi)兩交 界處的邊界條件，聯(lián)合求解出所述光場分布。以下是主要的計算過程，可參見圖3 在多層結(jié)構(gòu)中，電磁場的ζ方向分量可表示為<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>(1)式中P和Q分別表示上行波與下行波的振幅，kp是平面內(nèi)(xy平面)波矢，Y i為 ζ方向波矢。本專利中，下標i表示第i層(類似的，后面出現(xiàn)的下標M，B，r，A分別表示金 屬、介質(zhì)B、介電材料r和介電材料A)，上標e代表電場Ez分量，h代表磁場Hz分量。在介質(zhì)B中，只有出射波，電磁場的ζ分量可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>其中T為透射系數(shù)。在第一層與第二層的界面處，根據(jù)切向電磁場的連續(xù)條件可得<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>
式中的ρ和t分別為電磁場ζ分量的透射和反射系數(shù)，可由菲涅爾公式導(dǎo)出，Li 表示第i層的厚度。此表達式即為傳輸矩陣方法給出的關(guān)系式。同理，對于第一層與介質(zhì) B的界面處，有如下關(guān)系<formula>formula see original document page 6</formula>(4)將⑷式代入⑶式可得P2Ci^ =^-R2bTb, Q產(chǎn)=·^~Τβ
<formula>formula see original document page 6</formula>R2b和T2b實際為第二層與介質(zhì)B的等效反射、透射系數(shù)。同理可以得到，對于任意 層都有Pk = RkBQke2i^ (7)模式展開在介質(zhì)A中，電磁場任意分量Ψ可展開為<formula>formula see original document page 6</formula>在多層結(jié)構(gòu)中，電磁場可展開為<formula>formula see original document page 6</formula>( 9 )在介質(zhì)B中，電磁場可展開為<formula>formula see original document page 6</formula>式中α為χ方向波矢，β為y方向波矢，、為ζ方向波矢+Yin =^kl-O1n- β1 (^)在光柵中，電磁場可展開為<formula>formula see original document page 6</formula>邊界條件如下
在光柵與介質(zhì)A的界面<formula>formula see original document page 7</formula>^Hy[__h^s{vmx)dx= lHy[_h_cos{vmx)dx ( ^ )[Hx\^h+sm(vmx)dx^ [HX__h_sm(vmx)dx ( lg )在光柵與多層結(jié)構(gòu)中第k層的界面
<formula>formula see original document page 7</formula>[Hy\z (i Cos{vmx)dx= [Hy\^+cos{vmx)dx ( ^ )[Hx\2=q_ sin(VjnX)由=f^|z=0+ sin(vmx)i& ( 口)將各區(qū)域的電磁場表達式(8)_(13)代入相應(yīng)的邊界條件(15)_(22)中，結(jié)合由傳 輸矩陣得到的結(jié)果(7)，聯(lián)立求解得到電磁場的空間分布。另外，計算過程中對于金屬材料表面的處理應(yīng)用到了表面阻抗邊界條件，即電磁 場的透射與反射系數(shù)分別為<formula>formula see original document page 7</formula>式中ε表示材料介電函數(shù)，下標M表示金屬，d表示介電材料(如r或A等)， 7 = 1/Vi" ~γ = γ!κ，kQ為真空中波矢。該模擬方法將光場模式展開法和多層膜光場傳輸矩陣法結(jié)合應(yīng)用到了 THzQWP的 具體結(jié)構(gòu)中，采用表面阻抗邊界條件考慮了有限厚度金屬光柵對光場的耗散，能夠定量的 模擬出不同角度入射光經(jīng)過光柵后在器件中形成的光場分布情況，并直觀的給出強度分布 圖。圖4為模擬得到的一維光柵THzQWP中的衍射光場能量分布圖，其給出了 2個光柵周期 的寬度，且襯底只畫出了一部分，這里給出的是Ez分量的強度分布(相對值)，因為Ez分量 的偏振方向平行于量子阱生長方向，對子帶間躍遷有貢獻。在研究階段，采用上述方法對多組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了模擬，研究這些衍射場的 分布情況可以發(fā)現(xiàn)，由經(jīng)典光柵方程設(shè)計的光柵，其衍射光場的平均強度隨器件厚度L變 化呈周期性振蕩變化，當(dāng)厚度為一級衍射模垂直方向波長λ ±整數(shù)倍時，光場出現(xiàn)極大值； 另外由于GaAs材料對THz波有一定的吸收，所以器件越薄，出現(xiàn)的極大值越大。器件中衍 射場的平均能量隨器件厚度的關(guān)系如圖5所示。因此，在器件機械性能允許的范圍內(nèi)減薄 器件，并使器件厚度滿足極大值條件可實現(xiàn)光場最優(yōu)化分布，從而提高器件的響應(yīng)率。鑒于此，本發(fā)明采用如下步驟對該探測器進行優(yōu)化
1)模擬正入射到器件表面的太赫茲光經(jīng)過光柵后進入器件發(fā)生衍射的光場分布， 計算出一級衍射模垂直于器件表面方向的波長λ ±?？刹捎媚Ｊ秸归_法結(jié)合多層膜傳輸矩 陣法模擬所述光場分布。其中，正入射到器件表面的THz光經(jīng)過光柵后進入器件發(fā)生衍射，一級衍射模衍射角θ由光柵周期d決定，一級衍射模垂直方向(Z方向)的波矢為I=Vi^cosP,從而可
定義垂直方向的波長為毛=人=2萬/(^知COS的，其中Ictl為入射波在真空中的波矢，ε為
GaAs的介電函數(shù)。本實施例由此計算得到的一級衍射模ζ方向波長為λ±= 22.268μπι。2)根據(jù)所述波長λ ±優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)在器件機械性能允許的范圍內(nèi)盡量減薄器件 的襯底，使器件的總厚度L(注不包括光柵厚度)為所述波長λ ±的整數(shù)倍。其中，減薄器件的襯底采用研磨、拋光和濕法腐蝕的方法進行首先使用研磨機研 磨襯底，減薄速度最快，約為5 10 μ m/min,可用于粗磨；然后使用拋光機對襯底拋光，拋 光機減薄速度較慢，約為3ym/mm，可使研磨后的襯底表面平整和光滑；最后采用濕法腐蝕 襯底，濕法腐蝕速度最慢，約為0. 3ym/min，可以實現(xiàn)對襯底厚度的精確控制。優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還可以調(diào)整上電極層厚度，使多量子阱位于所述光場分布中的 強光場區(qū)域，或通過增加多量子阱層數(shù)，使多量子阱位于所述光場分布中的強光場區(qū)域。本 實施例中，將器件的襯底減薄的同時將器件上電極層厚度增至0. 8微米，并適當(dāng)增加多量 子阱的層數(shù)，從而使多量子阱下移至光場分布的強光場區(qū)域，即使多量子阱盡量位于光場 最強的區(qū)域，如圖4所示。優(yōu)化后器件的總厚度L減薄至IOX λ ±= 222. 68 μ m 223 μ m， 則模擬得到優(yōu)化后多量子阱層的光場能量平均值約是優(yōu)化前的4倍，理論上將獲得4倍的 響應(yīng)率。器件的響應(yīng)率可通過測量黑體響應(yīng)率得到。本發(fā)明一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法通過簡單的半導(dǎo)體 工藝加工方法便可以大幅度提高THzQWP的器件響應(yīng)率，為THzQWP陣列的開發(fā)和成像應(yīng)用 提供了研究手段。本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述 實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器包括器件及器件表面的光柵，其特征在于，包括如下步驟1)模擬正入射到器件表面的太赫茲光經(jīng)過光柵后進入器件發(fā)生衍射的光場分布，計算一級衍射模垂直于器件表面方向的波長λ⊥；2)根據(jù)所述波長λ⊥優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)在器件機械性能允許的范圍內(nèi)減薄器件的襯底，使器件的總厚度L為所述波長λ⊥的整數(shù)倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟1)中采用模式展開法結(jié)合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟1)采用模式展開法結(jié)合多層膜傳輸矩陣法對所述光場分布進行模擬的具體步 驟為將光柵中的光場按TE和TM兩種偏振模式分別展開，將其他區(qū)域的光場分布按瑞利模 式展開，結(jié)合光在多層膜結(jié)構(gòu)中的傳輸矩陣，應(yīng)用器件外與光柵區(qū)、光柵區(qū)與器件內(nèi)兩交界 處的邊界條件，聯(lián)合求解出所述光場分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟1)中采用^二？^/^^^^幻計算波長\ ±，其中h為入射波在真空中的波矢， e為GaAs的介電函數(shù)，0為一級衍射模衍射角由光柵周期d決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟2)中減薄器件的襯底采用研磨、拋光和濕法腐蝕的方法進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于減薄器件的襯底包括以下步驟首先使用研磨機研磨襯底；然后使用拋光機對襯底 拋光，從而使研磨后的襯底表面平整和光滑；最后采用濕法腐蝕襯底，以實現(xiàn)對襯底厚度的 精確控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括調(diào)整上電極層厚度，使多量子阱位于所述光場分布 中的強光場區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括增加多量子阱層數(shù)，使多量子阱位于所述光場分布 中的強光場區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，其特征 在于步驟2)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)時，還包括調(diào)整上電極層厚度，同時增加多量子阱層數(shù)，使多量 子阱位于所述光場分布中的強光場區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種一維光柵太赫茲量子阱光電探測器響應(yīng)率的優(yōu)化方法，包括如下步驟1)模擬正入射到器件表面的太赫茲光經(jīng)過光柵后進入器件發(fā)生衍射的光場分布，計算一級衍射模垂直于器件表面方向的波長λ⊥；2)在器件機械性能允許的范圍內(nèi)減薄器件的襯底，使器件的總厚度L為所述波長λ⊥的整數(shù)倍。該方法可通過對器件襯底的研磨、拋光和腐蝕以實現(xiàn)器件中光場的最優(yōu)化分布，同時設(shè)計合理的上電極層的厚度并適當(dāng)增加量子阱層數(shù)可使多量子阱處于光場較強的區(qū)域，從而提高器件的性能，優(yōu)化其響應(yīng)率，對THz實時成像的研究和實現(xiàn)具有重要的意義。
文檔編號H01L31/18GK101834227SQ20101015904
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者張戎, 曹俊誠, 郭旭光 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所