CN106784120A - 一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器包括：衬底和在所述衬底自下而上依次沉积的下掺杂层、吸收层、上掺杂层和金属光栅层，所述金属光栅层为二维周期性亚波长非对称结构光栅，用于接收入射光波；所述吸收层用于吸收光波；所述下掺杂层和所述上掺杂层用于引出所述红外偏振探测器的两个电极。本发明采用二维的周期性非对称结构金属光栅，可以与探测的光波发生耦合，激发表面等离子体效应，表面等离子体效应能将光场局域化在金属和半导体附近，可以提高探测器效率；同时非对称的光栅结构在不同偏振方向入射光照射下产生的电磁振荡强度不同，可以实现偏振光探测。
Description
技术领域
本发明涉及光探测技术领域与偏振光学领域，具体涉及一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器。
背景技术
1-3μm红外波段是空气中相对透明的重要大气窗口，工作于该波段的红外探测器在军事和民用等许多领域拥有重要应用。在军事上，可用于夜视、红外制导、红外成像、雷达测距等方面；民用上，可用于光纤通信，温度测量、气象预测、地质勘测等方面。应用于1-3μm波段的红外探测器材料经过多年发展，基本上形成了HgCdTe、InGaAs领军，GaSb、PtSi等其它材料百花齐放的格局。但相对于HgCdTe来说，InGaAs更容易生长质量控制和工艺处理，并且有对应的大直径和高质量III-V族衬底，随着研究和应用的不断深入，InGaAs红外探测器在短波红外波段占有更有利的竞争位置。
红外探测用于目标跟踪探测与识别中，当目标与背景温差较小或目标具有红外伪装时，或在复杂背景下，普通红外探测识别的能力将受到极大制约。目标自身特性决定了目标光谱的偏振特性，偏振成像获取目标光谱中的偏振特性进行对比，有利于探测识别小温差、红外伪装目标。红外探测与偏振探测相结合，可以从物理上有效提高探测识别复杂背景下小温差目标、伪装目标的性能。
传统的偏振探测是在探测器前加入偏振片，但是随着器件和设备的小型化发展趋势，额外的偏振片和偏振片的调节***成为了偏振探测器小型化的阻碍。
发明内容
为解决现有技术中的至少一问题而提出本发明。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。
本发明提供了一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器包括：衬底；
作为一种优选地实施方式，该装置还包括在所述衬底上自下而上依次沉积的下掺杂层、吸收层、上掺杂层和金属光栅层；
作为一种优选地实施方式，所述下掺杂层、吸收层、上掺杂层构成pin结构；
作为一种优选地实施方式，所述金属光栅层为二维周期性亚波长非对称结构光栅，用于接收入射光波；
作为一种优选地实施方式，所述非对称结构是指在互相垂直的两个方向上图形尺寸不相同；
作为一种优选地实施方式，所述二维周期性亚波长非对称结构为椭圆形、矩形或非对称十字形；
作为一种优选地实施方式，所述下掺杂层和所述上掺杂层用于引出所述红外偏振探测器的两个电极；
作为一种优选地实施方式，所述红外偏振探测器的两个电极用于接收偏压并收集探测信号；
作为一种优选地实施方式，所述吸收层用于吸收入射光波；
作为一种优选地实施方式，所述衬底和下掺杂层之还具有缓冲层；
作为一种优选地实施方式，所述金属光栅层的材料包括以下中的任一种：Au、Ag和Al；
作为一种优选地实施方式，所述金属光栅层的厚度为20～500nm；
作为一种优选地实施方式，所述上掺杂层厚度小于200nm；
作为一种优选地实施方式，所述衬底的材料包括以下中的任一种：InP、GaAs和Si；
作为一种优选地实施方式，所述入射光波的波长范围为1μm～2.6μm；
作为一种优选地实施方式，所述吸收层为掺杂浓度低于5×1016/cm3的InGaAs材料；
作为一种优选地实施方式，所述下掺杂层和所述上掺杂层为掺杂浓度高于5×1017/cm3的InGaAs材料。
本发明提供了一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，结构紧凑、易集成、偏振特性好等特点，通过对金属光栅参数的调节，还可以实现对偏振探测峰位的调节和探测带宽的调节，可以减少光路元件，增加光学***设计的灵活性，具有改进和取代传统光学元器件的潜力。
附图说明
图1是本发明红外偏振探测器的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明红外偏振探测器的一个实施例的吸收层分别对X轴方向偏振光和Y轴方向偏振光的透射率；
图3是本发明红外偏振探测器的一个实施例的入射光波为Y轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随光栅周期以及波长变化的效果图；
图4是本发明红外偏振探测器的一个实施例的入射光波为X轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随金属光栅周期以及波长变化的效果图；
图5是本发明红外偏振探测器的一个实施例的入射光波为Y轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随金属光栅占空比以及波长变化的效果图。
具体实施方式
为解决现有技术的问题，本发明提出一基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其包括衬底及在衬底上自下而上依次沉积的下掺杂层、吸收层、上掺杂层和金属光栅层。所述金属光栅层为二维周期性亚波长非对称结构光栅，用于接收入射光波。所谓的二维周期性亚波长非对称结构光栅是指在金属层上的周期性二维图形结构，图形尺寸为亚波长量级(尺寸小于入射波长)，其中非对称性指在互相垂直的X轴方向和Y轴方向上图形尺寸不相同。当入射到此光栅上的光波波长与光栅满足波矢匹配条件时，会在金属表面形成由振动的电子与光子相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波，即表明等离激元(surfaceplasmons，SPs)。表面等离激元具备纳米尺度对光场的操控和电场的增强特性，同时非对称结构的二维光栅由于其X轴方向和Y轴方向上的尺寸差异，对不同偏振方向的入射光所激发的SPP波强度不同，可以在场增强的同时实现偏振选择。
所述吸收层用于吸收光波；所述下掺杂层和所述上掺杂层用于引出所述红外偏振探测器的两个电极。下掺杂层、吸收层和上掺杂层构成pin结构。Pin结构与一般的光电二极管相比，在PN结的P型半导体(上掺杂层)和N型半导体(下掺杂层)之间夹入了一层本征半导体(吸收层)，这就相当于增大了PN结结电容两电极之间的距离，从而减小了结电容。而且上掺杂层厚度做的很薄(200nm)，入射光子只能在I区内被吸收，吸收的光子产生光生载流子在偏压下加速运动被电极收集形成光电流，从而实现光电探测。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例实施，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值得参数示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制发明的保护范围。
图1是本发明红外偏振探测器的一个实施例的结构示意图。如图所示，本发明提供了一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，包括：衬底1、所述衬底1上下两个表面抛光，且在其中一表面自下而上依次沉积下掺杂层2、吸收层3、上掺杂层4和金属光栅层5。所述衬底的材料可以是InP或GaAs或Si等，所述吸收层3为本征掺杂或低浓度掺杂的InGaAs材料，其掺杂浓度低于5×1016/cm3，所述金属光栅层5为二维周期性非对称结构亚波长光栅，所述下掺杂层2和上掺杂层4均为掺杂类型相异的重掺杂的InGaAs材料，两者分别与吸收层3构成pin结构，此处，重掺杂表示掺杂浓度高于5×1017/cm3，从该下掺杂层2和上掺杂层4分别电性连接出该InGaAs红外偏振探测器的两电极，该两电极引入外加偏压并收集探测信号。
本发明的金属光栅层5采用二维的周期性非对称结构金属孔阵光栅，可以与探测的光波发生耦合，激发表面等离子体效应，表面等离子体效应能将光场局域在金属和半导体界面附近，在吸收层3中有较强的电场强度，同时，二维的周期性非对称结构光栅对光的偏振敏感，可以实现偏振光探测。其所述金属光栅层5阵列的非对称结构的形状可以是椭圆形、矩形、非对称十字形或其他复杂非对称形状，或这些形状中几种形状的复合。如图1所示周期性金属椭圆孔结构的金属阵列，金属光栅层5的厚度和孔的深度相等。其中，该周期性光栅的占空比介于0.3-0.7之间，所述金属光栅层5的材料是对入射光波吸收很弱的金属，且应有很大的负折射率，如Au、Ag、Al等；且金属光栅层的厚度为20～500nm。
本发明在光子的探测过程中，入射光波的波长范围为1μm-2.6μm波段。入射光波包含的光子入射在金属光栅层5，可使垂直入射光波在金属光栅层5界面处激发表面等离子体波，它是一种非辐射状态的电磁波，被束缚在金属光栅层5和上掺杂层4的界面附近。表面等离子体波的激发波长可通过改变金属光栅的孔阵周期进行调节，由于所激发的表面等离子体波的电场强度沿着朝向衬底的方向成指数衰减，故对于所设计的吸收层3需要和金属光栅层5表面较近，即上掺杂层4的厚度足够薄，一般情况下小于200nm。在界面附近的近场范围内，表面等离子体波对电场有增强作用，使得吸收层3中有很大的电场增强，从而增强光的吸收并形成电流。所述吸收层3所对应的材料为InGaAs材料，且可以通过改变InGaAs中In的组分对探测器件的探测范围进行调整，随着In的组分增加会延伸探测的截止波长。在生长晶格不匹配的InGaAs吸收层3材料时，缓冲层起到应力释放的作用，其材料会根据半导体衬底1和下掺杂层2材料进行不同的选择，其材料可以是InGaAs材料，也可以是其他材料，或者没有缓冲层，均可以实现本发明。
本发明金属光栅层5和上掺杂层4界面的表面等离子体模式的激发必须满足特定的波矢匹配条件，不能简单的通过入射光波照射光滑平面来激发。我们在金属光栅层5中采用二维亚波长周期性阵列结构，来达到波矢匹配，从而激发表面等离子体波。波矢匹配条件要求：
其中，λ为探测的目标波长，εm和εd分别为所述金属光栅层5和上掺杂层4材料的介电常数，P为二维周期亚波长金属光栅的周期，i和j为整数。因此当探测目标波长λ确定时，可根据上式选取适当的周期P来确定孔阵的参数。
非对称结构金属光栅对入射光波偏振敏感，以图1椭圆形孔阵金属光栅为例，当入射光波长满足波矢匹配条件，并且入射光偏振方向沿椭圆短轴方向时(Y轴方向偏振)，入射光波在金属光栅层5和半导体界面处激发强烈的表面等离子效应，穿过薄的上掺杂层4后，在吸收层3中获得很大的电场增强，实现增强的光吸收；而当入射光波的偏振方向沿椭圆长轴方向时(X轴方向偏振)，即使入射光波的波长满足波矢匹配条件，由于在入射光波电场偏振方向上孔径较大，无法形成高强度的电磁振荡，此时金属半导体表面的表面等离子体效应产生的电场较弱，吸收层3无法获得高强度电场以实现光吸收。
图2是本发明红外偏振探测器的吸收层分别对X轴方向偏振光和Y轴方向偏振光的透射率。如图所示，是本发明在金属光栅周期为400nm，椭圆孔长轴200nm，短轴100nm的情况下，吸收层3材料为In0.53Ga0.47As材料时，探测器吸收层处分别对X轴方向偏振光和Y轴方向偏振光的透射率。可见在波矢匹配条件下(波长1.5μm处)，Y轴方向偏振光的透射率达到X轴方向偏振光透射率的10倍，可以实现较好的偏振选择效果。
本发明在实现偏振探测效果的同时，可以通过调节金属光栅参数实现对表面等离子体增强吸收的峰位调节和探测带宽的调节。
图3是本发明红外偏振探测器的入射光波为Y轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随光栅周期以及波长变化的效果图。如图所示，是本发明在金属光栅占空比为0.5，椭圆孔短轴与长轴之比为0.5，入射光波偏振方向沿Y轴方向情况下，探测器的吸收增强随周期以及波长变化的灰度。通过此图可以直观地看出探测器的探测峰值可以通过调节金属光栅周期来控制，透射峰的位置与金属光栅周期有近似线性的关系。
图4是本发明红外偏振探测器的入射光波为X轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随金属光栅周期以及波长变化的效果图。如图所示，是本发明在金属光栅占空比为0.5，椭圆孔短轴与长轴之比为0.5，入射光波偏振方向沿X轴方向情况下，探测器的吸收增强随周期以及波长变化的灰度。通过与图3的比较，可以发现在一个很宽的波长范围内我们设计的二维非对称结构金属光栅都可以实现较好的偏振选择效果。
图5是本发明红外偏振探测器的入射光波为Y轴方向偏振光时，吸收层处的透过率随金属光栅占空比以及波长变化的效果图。如图所示是本发明在金属光栅周期为400nm，椭圆孔短轴与长轴之比为0.5情况下，探测器的吸收增强随椭圆孔的占空比以及波长变化的灰度。从图中可以看到，图形占空比较小时，透射增强的光谱范围较窄，而随着占空比的增大，透射增强的光谱范围逐渐增大。利用这一点，可以选择合适的占空比来实现特定波长的偏振选择或宽谱的偏振选择。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器包括衬底和在所述衬底上自下而上依次沉积的下掺杂层、吸收层、上掺杂层和金属光栅层，其中
所述下掺杂层、吸收层、上掺杂层构成pin结构；
所述金属光栅层为二维周期性亚波长非对称结构光栅，用于接收入射光波，所述非对称结构是指在互相垂直的两个方向上图形尺寸不相同。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述二维周期性亚波长非对称结构为椭圆形、矩形或非对称十字形。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述下掺杂层和所述上掺杂层用于引出所述红外偏振探测器的两个电极。
4.根据权利要求3所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述红外偏振探测器的两个电极用于接收偏压并收集探测信号。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述吸收层用于吸收入射光波。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述衬底和下掺杂层之还具有缓冲层。
7.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述金属光栅层的材料包括以下中的任一种：Au、Ag和Al。
8.根据权利要求7所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述金属光栅层的厚度为20～500nm。
9.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述上掺杂层厚度小于200nm。
10.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述衬底的材料包括以下中的任一种：InP、GaAs和Si。
11.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述入射光波的波长范围为1μm～2.6μm。
12.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述吸收层为掺杂浓度低于5×1016/cm3的InGaAs材料。
13.根据权利要求1所述的基于表面等离子效应的InGaAs红外偏振探测器，其特征在于，所述下掺杂层和所述上掺杂层为掺杂浓度高于5×1017/cm3的InGaAs材料。
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