一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，包括：1）根據(jù)太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率在器件材料中的波長λp，設(shè)計刻蝕光柵的周期P，使P＝λp；2）計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內(nèi)部的電磁場分布；3）提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的分量，并在有源區(qū)內(nèi)對該分量的能量進(jìn)行積分，得到有源區(qū)中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的總能量It；4）設(shè)置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。本發(fā)明可有效提升太赫茲量子阱光電探測器在峰值響應(yīng)頻率點的性能，對高性能太赫茲量子阱光電探測器的實現(xiàn)及其成像應(yīng)用具有重要的意義。
【專利說明】一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)探測器是各項THz研究和各種THz應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。THz量子阱光電探測器(QWP)因其具有體積小、易集成、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ腡Hz探測器之一。
[0003]從工作原理上看，THz QWP是一種子帶間躍遷型(ISBT)探測器。然而由于量子力學(xué)的限制，如果入射光垂直照射在THz QWP表面，ISBT不會發(fā)生，因而也不會產(chǎn)生光電流。因此，通常的做法是將光斜入射到器件中，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。這種做法雖然簡單，但在THz成像應(yīng)用中，需要將探測器組合成焦平面陣列，必然會使用到正入射的配置。所以對于THz QWP焦平面陣列，以上提到的斜入射方案不再適用，而通常的做法是在器件表面加工一個光耦合器，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
[0004]光柵就是一種常用的光耦合器，一維刻蝕光柵的形貌及其制作方法如圖1?圖4所示。圖1的器件表面沒有做光柵結(jié)構(gòu)，兩條虛線內(nèi)部為THz QWP的有源區(qū)10，有源區(qū)10厚度通常在3 μ m左右；圖2中，上表面被刻蝕形成周期性分布的脊條20 ;圖3中，在上表面再沉積一層金屬30，形成反射型刻蝕光柵，入射光從器件下表面正入射。該刻蝕光柵的主要參數(shù)如圖4所示，光柵周期為P，脊條寬度為a，高度(即刻蝕深度)為h。這種光柵與普通金屬光柵的區(qū)別在于，普通金屬光柵是直接在器件表面蒸鍍金屬，通過剝離的方法做成金屬條，金屬條本身就是光柵條；而刻蝕光柵是通過在半導(dǎo)體表面刻蝕的方法形成半導(dǎo)體光柵條，最后金屬的蒸鍍是為了增強(qiáng)反射。傳統(tǒng)的設(shè)計方法認(rèn)為，根據(jù)干涉原理，刻蝕光柵的高度應(yīng)該為對應(yīng)波長的1/4，而本發(fā)明認(rèn)為傳統(tǒng)方案在THz頻段已不再適用，本發(fā)明將提出一種優(yōu)化光柵高度h的全新方案，該方案可提高刻蝕光柵的耦合效率，進(jìn)而提升THz QffP的性能，對THz實時成像系統(tǒng)的研究與開發(fā)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲量子阱光電探測器由于光柵高度的不適應(yīng)而導(dǎo)致耦合效率降低的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，包括步驟:
[0007]I)根據(jù)太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率在器件材料中的波長λ ρ,設(shè)計刻蝕光柵的周期P，使P = λ P ;[0008]2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內(nèi)部的電磁場分布；
[0009]3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區(qū)內(nèi)對該分量的能量進(jìn)行積分，得到有源區(qū)中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的總能量It ；
[0010]4)設(shè)置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。
[0011]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
[0012]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
[0013]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，所述反射金屬的材料為Au。
[0014]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)所述的器件材料為GaAs材料體系。
[0015]進(jìn)一步地，所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率范圍為3?6THz，在器件材料中的波長為27.6?12.8 μ m。
[0016]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進(jìn)行編程的方法計算在入射光照射下器件內(nèi)部的電磁場分布。
[0017]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)設(shè)置不同的光柵高度h的范圍為O?10 μ m。
[0018]進(jìn)一步地，當(dāng)在不同光柵高度h范圍內(nèi)出現(xiàn)多個總能量It峰值時，選擇對應(yīng)于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
[0019]如上所述，本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，包括步驟:1)根據(jù)太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率在該太赫茲量子阱光電探測器的器件材料中的波長λ p，設(shè)計刻蝕光柵的周期P，使P= λ ρ ;2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內(nèi)部的電磁場分布；3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區(qū)內(nèi)對該分量的能量進(jìn)行積分，得到有源區(qū)中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的總能量It ;4)設(shè)置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。本發(fā)明可有效提升太赫茲量子阱光電探測器在峰值響應(yīng)頻率點的性能，對高性能太赫茲量子阱光電探測器的實現(xiàn)及其成像應(yīng)用具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1?圖4顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的一種太赫茲量子阱光電探測器的制造方法各步驟所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的步驟流程示意圖。
[0022]圖6?圖8顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法的三個具體實施例所獲得的光柵高度-歸一化的耦合效率曲線示意圖。[0023]元件標(biāo)號說明
[0024]10有源區(qū)
[0025]20脊條
[0026]30金屬
[0027]P光柵周期
[0028]a脊條寬度
[0029]h光柵高度 [0030]Sll~S14步驟I)~步驟4)
【具體實施方式】
[0031]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0032]請參閱圖5~圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0033]如圖5~圖8本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，包括步驟:
[0034]如圖5所示，首先進(jìn)行步驟I) S11，根據(jù)太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率在該太赫茲量子阱光電探測器的器件材料中的波長λ p，設(shè)計刻蝕光柵的周期P，使P =
λ P。
[0035]作為示例，所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
[0036]作為示例,所述反射金屬的材料為Au。
[0037]另外，在本實施例中，選取刻蝕光柵的占空比為50%，即所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
[0038]作為示例，所述的器件材料為GaAs材料體系。對于上述的為GaAs材料體系，所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率范圍為3~6THz，在器件材料中的波長為27.6~12.8 μ m0
[0039]如圖5所示，然后進(jìn)行步驟2)S12，計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內(nèi)部的電磁場分布。
[0040]作為示例，采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進(jìn)行編程的方法計算在入射光照射下器件內(nèi)部的電磁場分布。
[0041]如圖5所示，接著進(jìn)行步驟3) S13，提取電磁場分布中對子帶間躍遷ISBT有貢獻(xiàn)的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區(qū)內(nèi)對該分量的能量進(jìn)行積分，得到有源區(qū)中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的總能量It。
[0042]如圖5所示，最后進(jìn)行步驟4)S14，設(shè)置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。[0043]作為示例，設(shè)置不同的光柵高度h的范圍為O~10 μ m。事實上，在實際的分子束外延(MBE)生長中，生長10 μ m的厚度將消耗極大的成本，目前結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的量子級聯(lián)激光器的總生長厚度也僅在IOym左右，因此，在太赫茲量子阱光電探測器上生長額外的ΙΟμπι厚度用于制作光耦合器可以認(rèn)為是考慮范圍的極限，從這點上說，模擬上限取到ΙΟμπι是非常合理的，而且可以節(jié)約模擬的時間和成本。
[0044]進(jìn)一步地，為了降低太赫茲量子阱光電探測器的制作時間和成本，當(dāng)在不同光柵高度h范圍內(nèi)出現(xiàn)多個總能量It峰值時，選擇對應(yīng)于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
[0045]另外，通過上述設(shè)計方法獲得太赫茲量子阱光電探測器的各項參數(shù)后，可以采用現(xiàn)有半導(dǎo)體加工技術(shù)，根據(jù)上述步驟確定的刻蝕光柵周期P、脊條寬度a及光柵高度h，制作相應(yīng)的反射型刻蝕光柵。
[0046]如圖6~圖8所示，下面以幾個示例來說明本發(fā)明的具體設(shè)計方法，由于目前大部分太赫茲量子阱光電探測器均基于GaAs材料體系，通過MBE技術(shù)生長在半絕緣GaAs襯底上，峰值響應(yīng)頻率多集中在3~6THz范圍內(nèi)，因此，本發(fā)明取以下三個太赫茲量子阱光電探測器:
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于，包括步驟: 1)根據(jù)太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率在器件材料中的波長λρ，設(shè)計刻蝕光柵的周期P，使P = λρ ； 2)計算在入射光照射下太赫茲量子阱光電探測器內(nèi)部的電磁場分布； 3)提取電磁場分布中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的分量，并在太赫茲量子阱光電探測器的有源區(qū)內(nèi)對該分量的能量進(jìn)行積分，得到有源區(qū)中對子帶間躍遷有貢獻(xiàn)的總能量It ； 4)設(shè)置不同的光柵高度h，計算在不同光柵高度h下的總能量It，選取總能量It最大時的光柵高度h作為刻蝕光柵的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:所述刻蝕光柵包括形成于器件材料表面的呈周期性排列的多個脊條、以及形成于所述器件材料及各所述脊條表面的反射金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:所述刻蝕光柵的脊條寬度a為所述周期P的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:所述反射金屬的材料為Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:步驟I)所述的器件材料為GaAs材料體系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:所述太赫茲量子阱光電探測器的峰值響應(yīng)頻率范圍為3?6THz，在器件材料中的波長為27.6?12.8 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:步驟2)采用通過模擬軟件對太赫茲量子阱光電探測器進(jìn)行編程的方法計算在入射光照射下器件內(nèi)部的電磁場分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:步驟4)設(shè)置不同的光柵高度h的范圍為O?10 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太赫茲量子阱光電探測器的設(shè)計方法，其特征在于:當(dāng)在不同光柵高度h范圍內(nèi)出現(xiàn)多個總能量It峰值時，選擇對應(yīng)于各該峰值中的多個光柵高度的最小值。
【文檔編號】H01L31/18GK103887372SQ201410133488
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】張戎, 曹俊誠, 郭旭光, 顧亮亮 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所