本發(fā)明涉及光探測技術(shù)領(lǐng)域與偏振光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面等離子效應(yīng)的InGaAs紅外偏振探測器。

背景技術(shù)：

1-3μm紅外波段是空氣中相對透明的重要大氣窗口，工作于該波段的紅外探測器在軍事和民用等許多領(lǐng)域擁有重要應(yīng)用。在軍事上，可用于夜視、紅外制導(dǎo)、紅外成像、雷達(dá)測距等方面；民用上，可用于光纖通信，溫度測量、氣象預(yù)測、地質(zhì)勘測等方面。應(yīng)用于1-3μm波段的紅外探測器材料經(jīng)過多年發(fā)展，基本上形成了HgCdTe、InGaAs領(lǐng)軍，GaSb、PtSi等其它材料百花齊放的格局。但相對于HgCdTe來說，InGaAs更容易生長質(zhì)量控制和工藝處理，并且有對應(yīng)的大直徑和高質(zhì)量III-V族襯底，隨著研究和應(yīng)用的不斷深入，InGaAs紅外探測器在短波紅外波段占有更有利的競爭位置。

紅外探測用于目標(biāo)跟蹤探測與識別中，當(dāng)目標(biāo)與背景溫差較小或目標(biāo)具有紅外偽裝時，或在復(fù)雜背景下，普通紅外探測識別的能力將受到極大制約。目標(biāo)自身特性決定了目標(biāo)光譜的偏振特性，偏振成像獲取目標(biāo)光譜中的偏振特性進(jìn)行對比，有利于探測識別小溫差、紅外偽裝目標(biāo)。紅外探測與偏振探測相結(jié)合，可以從物理上有效提高探測識別復(fù)雜背景下小溫差目標(biāo)、偽裝目標(biāo)的性能。

傳統(tǒng)的偏振探測是在探測器前加入偏振片，但是隨著器件和設(shè)備的小型化發(fā)展趨勢，額外的偏振片和偏振片的調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為了偏振探測器小型化的阻礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的至少一問題而提出本發(fā)明。本發(fā)明在下文中參考實(shí)施例的示例將更詳細(xì)的描述，但本發(fā)明并不局限于所述實(shí)施例。

本發(fā)明提供了一種基于表面等離子效應(yīng)的InGaAs紅外偏振探測器包括：襯底；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，該裝置還包括在所述襯底上自下而上依次沉積的下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層和金屬光柵層；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述金屬光柵層為二維周期性亞波長非對稱結(jié)構(gòu)光柵，用于接收入射光波；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述非對稱結(jié)構(gòu)是指在互相垂直的兩個方向上圖形尺寸不相同；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述二維周期性亞波長非對稱結(jié)構(gòu)為橢圓形、矩形或非對稱十字形；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述下?lián)诫s層和所述上摻雜層用于引出所述紅外偏振探測器的兩個電極；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述紅外偏振探測器的兩個電極用于接收偏壓并收集探測信號；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述吸收層用于吸收入射光波；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述襯底和下?lián)诫s層之還具有緩沖層；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述金屬光柵層的材料包括以下中的任一種：Au、Ag和Al；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述金屬光柵層的厚度為20～500nm；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述上摻雜層厚度小于200nm；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述襯底的材料包括以下中的任一種：InP、GaAs和Si；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述入射光波的波長范圍為1μm～2.6μm；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述吸收層為摻雜濃度低于5×10¹⁶/cm³的InGaAs材料；

作為一種優(yōu)選地實(shí)施方式，所述下?lián)诫s層和所述上摻雜層為摻雜濃度高于5×10¹⁷/cm³的InGaAs材料。

本發(fā)明提供了一種基于表面等離子效應(yīng)的InGaAs紅外偏振探測器，結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、偏振特性好等特點(diǎn)，通過對金屬光柵參數(shù)的調(diào)節(jié)，還可以實(shí)現(xiàn)對偏振探測峰位的調(diào)節(jié)和探測帶寬的調(diào)節(jié)，可以減少光路元件，增加光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，具有改進(jìn)和取代傳統(tǒng)光學(xué)元器件的潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的吸收層分別對X軸方向偏振光和Y軸方向偏振光的透射率；

圖3是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的入射光波為Y軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨光柵周期以及波長變化的效果圖；

圖4是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的入射光波為X軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨金屬光柵周期以及波長變化的效果圖；

圖5是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的入射光波為Y軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨金屬光柵占空比以及波長變化的效果圖。

具體實(shí)施方式

為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出一基于表面等離子效應(yīng)的InGaAs紅外偏振探測器，其包括襯底及在襯底上自下而上依次沉積的下?lián)诫s層、吸收層、上摻雜層和金屬光柵層。所述金屬光柵層為二維周期性亞波長非對稱結(jié)構(gòu)光柵，用于接收入射光波。所謂的二維周期性亞波長非對稱結(jié)構(gòu)光柵是指在金屬層上的周期性二維圖形結(jié)構(gòu)，圖形尺寸為亞波長量級(尺寸小于入射波長)，其中非對稱性指在互相垂直的X軸方向和Y軸方向上圖形尺寸不相同。當(dāng)入射到此光柵上的光波波長與光柵滿足波矢匹配條件時，會在金屬表面形成由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿ǎ幢砻鞯入x激元(surface plasmons，SPs)。表面等離激元具備納米尺度對光場的操控和電場的增強(qiáng)特性，同時非對稱結(jié)構(gòu)的二維光柵由于其X軸方向和Y軸方向上的尺寸差異，對不同偏振方向的入射光所激發(fā)的SPP波強(qiáng)度不同，可以在場增強(qiáng)的同時實(shí)現(xiàn)偏振選擇。

所述吸收層用于吸收光波；所述下?lián)诫s層和所述上摻雜層用于引出所述紅外偏振探測器的兩個電極。下?lián)诫s層、吸收層和上摻雜層構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)。Pin結(jié)構(gòu)與一般的光電二極管相比，在PN結(jié)的P型半導(dǎo)體(上摻雜層)和N型半導(dǎo)體(下?lián)诫s層)之間夾入了一層本征半導(dǎo)體(吸收層)，這就相當(dāng)于增大了PN結(jié)結(jié)電容兩電極之間的距離，從而減小了結(jié)電容。而且上摻雜層厚度做的很薄(200nm)，入射光子只能在I區(qū)內(nèi)被吸收，吸收的光子產(chǎn)生光生載流子在偏壓下加速運(yùn)動被電極收集形成光電流，從而實(shí)現(xiàn)光電探測。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例實(shí)施，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值得參數(shù)示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明紅外偏振探測器的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本發(fā)明提供了一種基于表面等離子效應(yīng)的InGaAs紅外偏振探測器，包括：襯底1、所述襯底1上下兩個表面拋光，且在其中一表面自下而上依次沉積下?lián)诫s層2、吸收層3、上摻雜層4和金屬光柵層5。所述襯底的材料可以是InP或GaAs或Si等，所述吸收層3為本征摻雜或低濃度摻雜的InGaAs材料，其摻雜濃度低于5×10¹⁶/cm³，所述金屬光柵層5為二維周期性非對稱結(jié)構(gòu)亞波長光柵，所述下?lián)诫s層2和上摻雜層4均為摻雜類型相異的重?fù)诫s的InGaAs材料，兩者分別與吸收層3構(gòu)成pin結(jié)構(gòu)，此處，重?fù)诫s表示摻雜濃度高于5×10¹⁷/cm³，從該下?lián)诫s層2和上摻雜層4分別電性連接出該InGaAs紅外偏振探測器的兩電極，該兩電極引入外加偏壓并收集探測信號。

本發(fā)明的金屬光柵層5采用二維的周期性非對稱結(jié)構(gòu)金屬孔陣光柵，可以與探測的光波發(fā)生耦合，激發(fā)表面等離子體效應(yīng)，表面等離子體效應(yīng)能將光場局域在金屬和半導(dǎo)體界面附近，在吸收層3中有較強(qiáng)的電場強(qiáng)度，同時，二維的周期性非對稱結(jié)構(gòu)光柵對光的偏振敏感，可以實(shí)現(xiàn)偏振光探測。其所述金屬光柵層5陣列的非對稱結(jié)構(gòu)的形狀可以是橢圓形、矩形、非對稱十字形或其他復(fù)雜非對稱形狀，或這些形狀中幾種形狀的復(fù)合。如圖1所示周期性金屬橢圓孔結(jié)構(gòu)的金屬陣列，金屬光柵層5的厚度和孔的深度相等。其中，該周期性光柵的占空比介于0.3-0.7之間，所述金屬光柵層5的材料是對入射光波吸收很弱的金屬，且應(yīng)有很大的負(fù)折射率，如Au、Ag、Al等；且金屬光柵層的厚度為20～500nm。

本發(fā)明在光子的探測過程中，入射光波的波長范圍為1μm-2.6μm波段。入射光波包含的光子入射在金屬光柵層5，可使垂直入射光波在金屬光柵層5界面處激發(fā)表面等離子體波，它是一種非輻射狀態(tài)的電磁波，被束縛在金屬光柵層5和上摻雜層4的界面附近。表面等離子體波的激發(fā)波長可通過改變金屬光柵的孔陣周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于所激發(fā)的表面等離子體波的電場強(qiáng)度沿著朝向襯底的方向成指數(shù)衰減，故對于所設(shè)計(jì)的吸收層3需要和金屬光柵層5表面較近，即上摻雜層4的厚度足夠薄，一般情況下小于200nm。在界面附近的近場范圍內(nèi)，表面等離子體波對電場有增強(qiáng)作用，使得吸收層3中有很大的電場增強(qiáng)，從而增強(qiáng)光的吸收并形成電流。所述吸收層3所對應(yīng)的材料為InGaAs材料，且可以通過改變InGaAs中In的組分對探測器件的探測范圍進(jìn)行調(diào)整，隨著In的組分增加會延伸探測的截止波長。在生長晶格不匹配的InGaAs吸收層3材料時，緩沖層起到應(yīng)力釋放的作用，其材料會根據(jù)半導(dǎo)體襯底1和下?lián)诫s層2材料進(jìn)行不同的選擇，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者沒有緩沖層，均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明金屬光柵層5和上摻雜層4界面的表面等離子體模式的激發(fā)必須滿足特定的波矢匹配條件，不能簡單的通過入射光波照射光滑平面來激發(fā)。我們在金屬光柵層5中采用二維亞波長周期性陣列結(jié)構(gòu)，來達(dá)到波矢匹配，從而激發(fā)表面等離子體波。波矢匹配條件要求：

其中，λ為探測的目標(biāo)波長，ε_m和ε_d分別為所述金屬光柵層5和上摻雜層4材料的介電常數(shù)，P為二維周期亞波長金屬光柵的周期，i和j為整數(shù)。因此當(dāng)探測目標(biāo)波長λ確定時，可根據(jù)上式選取適當(dāng)?shù)闹芷赑來確定孔陣的參數(shù)。

非對稱結(jié)構(gòu)金屬光柵對入射光波偏振敏感，以圖1橢圓形孔陣金屬光柵為例，當(dāng)入射光波長滿足波矢匹配條件，并且入射光偏振方向沿橢圓短軸方向時(Y軸方向偏振)，入射光波在金屬光柵層5和半導(dǎo)體界面處激發(fā)強(qiáng)烈的表面等離子效應(yīng)，穿過薄的上摻雜層4后，在吸收層3中獲得很大的電場增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的光吸收；而當(dāng)入射光波的偏振方向沿橢圓長軸方向時(X軸方向偏振)，即使入射光波的波長滿足波矢匹配條件，由于在入射光波電場偏振方向上孔徑較大，無法形成高強(qiáng)度的電磁振蕩，此時金屬半導(dǎo)體表面的表面等離子體效應(yīng)產(chǎn)生的電場較弱，吸收層3無法獲得高強(qiáng)度電場以實(shí)現(xiàn)光吸收。

圖2是本發(fā)明紅外偏振探測器的吸收層分別對X軸方向偏振光和Y軸方向偏振光的透射率。如圖所示，是本發(fā)明在金屬光柵周期為400nm，橢圓孔長軸200nm，短軸100nm的情況下，吸收層3材料為In_0.53Ga_0.47As材料時，探測器吸收層處分別對X軸方向偏振光和Y軸方向偏振光的透射率?？梢娫诓ㄊ钙ヅ錀l件下(波長1.5μm處)，Y軸方向偏振光的透射率達(dá)到X軸方向偏振光透射率的10倍，可以實(shí)現(xiàn)較好的偏振選擇效果。

本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)偏振探測效果的同時，可以通過調(diào)節(jié)金屬光柵參數(shù)實(shí)現(xiàn)對表面等離子體增強(qiáng)吸收的峰位調(diào)節(jié)和探測帶寬的調(diào)節(jié)。

圖3是本發(fā)明紅外偏振探測器的入射光波為Y軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨光柵周期以及波長變化的效果圖。如圖所示，是本發(fā)明在金屬光柵占空比為0.5，橢圓孔短軸與長軸之比為0.5，入射光波偏振方向沿Y軸方向情況下，探測器的吸收增強(qiáng)隨周期以及波長變化的灰度。通過此圖可以直觀地看出探測器的探測峰值可以通過調(diào)節(jié)金屬光柵周期來控制，透射峰的位置與金屬光柵周期有近似線性的關(guān)系。

圖4是本發(fā)明紅外偏振探測器的入射光波為X軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨金屬光柵周期以及波長變化的效果圖。如圖所示，是本發(fā)明在金屬光柵占空比為0.5，橢圓孔短軸與長軸之比為0.5，入射光波偏振方向沿X軸方向情況下，探測器的吸收增強(qiáng)隨周期以及波長變化的灰度。通過與圖3的比較，可以發(fā)現(xiàn)在一個很寬的波長范圍內(nèi)我們設(shè)計(jì)的二維非對稱結(jié)構(gòu)金屬光柵都可以實(shí)現(xiàn)較好的偏振選擇效果。

圖5是本發(fā)明紅外偏振探測器的入射光波為Y軸方向偏振光時，吸收層處的透過率隨金屬光柵占空比以及波長變化的效果圖。如圖所示是本發(fā)明在金屬光柵周期為400nm，橢圓孔短軸與長軸之比為0.5情況下，探測器的吸收增強(qiáng)隨橢圓孔的占空比以及波長變化的灰度。從圖中可以看到，圖形占空比較小時，透射增強(qiáng)的光譜范圍較窄，而隨著占空比的增大，透射增強(qiáng)的光譜范圍逐漸增大。利用這一點(diǎn)，可以選擇合適的占空比來實(shí)現(xiàn)特定波長的偏振選擇或?qū)捵V的偏振選擇。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。