CN208157437U - 一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构 - Google Patents

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符张龙
李子平
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Abstract

本实用新型涉及一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其包括：多个呈阵列分布的微腔单元以及一位于所述微腔单元下方的衬底，其中，每个所述微腔单元包括：一上金属电极，以及一设置在所述上金属电极的下表面上的所述量子阱探测器中的外延层，该外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，该下金属电极板设置在所述衬底的上表面上。本实用新型不仅可以实现光的正入射耦合，有效提高量子阱对光的吸收效率，降低量子阱探测器的暗电流，提高其工作温度，而且可以达到微腔内电场增强的效果，提高量子阱探测器的光耦合效率。

Description

一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构
技术领域
本实用新型涉及一种半导体光子探测器，尤其涉及一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指频率从100GHz到10THz，相应波长在3mm到30μm范围内，介于毫米波与红外光之间的电磁波。THz波在电磁波谱中占有特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域，其长波端与亚毫米波相重合，而短波端与远红外波段相重合，THz波技术在信息通信技术领域、生物医学、太空探测以及全球性环境检测领域都具有非常广泛的应用潜力。然而，由于缺乏有效的辐射源和探测器，对THz波段的研究和应用发展还处于初期起步的阶段。因此，THz技术应用发展的关键在于制作经济、高效的辐射源和探测器。
THz探测器是太赫兹技术应用的核心部件。按照探测的原理可以分为热探测器和光子型探测器两大类。常见的THz热探测器主要包括：Golay cell、焦热电探测器、硅Bolometer探测器等。常见的THz光子探测器主要包括：掺杂高纯硅、锗的半导体低温探测器、肖特基二极管和高迁移率晶体管等离子体波THz常温探测器、基于子带间跃迁的太赫兹量子阱探测器(THz Quantum-Well Photodetectors,THz QWPs)以及太赫兹量子点探测器(THz Quantum-Dot Photodetectors,THz QDPs)。与热探测器相比，THz光子探测器通常具备很高的探测灵敏度和快速响应能力，在很多应用中光子探测器都优于热探测器。而与其他的THz光子探测器相比，THz QWPs具有与光子作用截面大、探测灵敏度高、损伤阈值大、响应速度快、线性响应范围宽、响应频段可按需设计、材料生长和器件制备工艺成熟、可制备大规模成像阵列等优点。
THz QWPs是红外探测器(QWIPs)在THz频段的自然扩展，因此其响应的物理机制与红外波段的QWIPs相同。如图1所示，现有技术中常用的中红外及THz QWPs的结构包括：GaAs衬底1’、由下至上依次设置在GaAs衬底1’上表面的下接触层2’、有源区3’和上接触层4’、设置在GaAs衬底1’上表面并位于下接触层2’两侧的下电极5’以及设置在上接触层4’上表面的上电极6’，其中，有源区3’由GaAs/AlxGa1-xAs多量子阱周期结构构成，位于量子阱中的束缚电子吸收THz光子后跃迁到连续态，在外加偏压下形成光电流，通过测量和分析光电流的变化从而完成对THz波的探测。
由此可见，较低的子带间吸收效率是制约THz QWPs性能的关键因素。光耦合方式的改善是获取THz QWPs更好性能的关键因素。由于QWPs的光吸收源于子带间跃迁，子带间跃迁选择定则决定了THz QWPs对正入射的光无响应。近些年，人们将新的光耦合机制引入到QWPs器件中，这些新的耦合方式不仅能像光栅一样改变光的偏振方向，也可以改变探测器有源区光的状态密度，使我们可以设计制作出更高效的探测器件。
目前，THz QWPs常用的两种耦合方式为：45°斜面抛光衬底耦合及金属散射光栅耦合，其中，45°斜面抛光衬底耦合机制不能实现光的正入射(如图1所示，GaAs衬底1’需要进行45°斜面抛光，入射光需要从该45°斜面入射)，也不利于器件集成，光栅耦合虽然可以实现光的正入射耦合，但在器件性能上没有太大的提升。
综上所述，研究高效的光耦合结构对于提高THz QWPs的响应率和工作温度等性能具有非常重要的意义。
实用新型内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，以实现光的正入射耦合，提高量子阱探测器对入射光的吸收效率和响应率。
本实用新型所述的一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其包括：多个呈阵列分布的微腔单元以及一位于所述微腔单元下方的衬底，其中，
每个所述微腔单元包括：一上金属电极，以及一设置在所述上金属电极的下表面上的所述量子阱探测器中的外延层，该外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；
所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，该下金属电极板设置在所述衬底的上表面上；
每一列的多个所述微腔单元通过微腔连接线依次串联；
其中，所述上金属电极为亚波长贴片天线。
在上述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构中，所述上金属电极和下金属电极板均采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成；所述衬底采用N+型GaAs制成。
在上述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构中，所述微腔连接线包括：所述下金属电极板，以及自该下金属电极板由下至上依次连接的所述外延层和上金属电极。
在上述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构中，第一排的多个所述微腔单元分别通过所述微腔连接线同时连接至一个电连接板，最后一排的多个所述微腔单元分别通过所述微腔连接线同时连接至另一个电连接板，两个所述电连接板分别通过一接线端子连接至外部电路。
在上述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构中，所述电连接板和接线端子均包括：所述下金属电极板，以及自该下金属电极板由下至上依次连接的所述外延层和上金属电极。
由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过采用亚波长贴片天线作为各个微腔单元的上表面金属，采用下金属电极板作为所有微腔单元共用的下表面金属，由此形成双面金属的微腔单元阵列，从而可以有效地将光耦合入微腔单元内的量子阱探测器外延层(即量子阱探测器的上接触层、有源区和下接触层)，由此不仅可以实现光的正入射耦合，有效提高量子阱对光的吸收效率，降低量子阱探测器的暗电流，提高其工作温度，而且可以达到微腔内电场增强的效果，提高量子阱探测器的光耦合效率，并为实现THz波段的大规模焦平面阵列成像及THz探测***的集成化奠定基础。
附图说明
图1是现有技术中常用的中红外及THz QWPs的结构示意图；
图2是本实用新型的一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构的立体示意图；
图3是图2中的一个微腔单元与微腔连接线的上表面尺寸示意图；
图4是图2中A处的局部结构剖面图；
图5是本实用新型的制作方法中步骤S1的示意图；
图6a、6b是本实用新型的制作方法中步骤S2的示意图；
图7是本实用新型的制作方法中步骤S3的示意图；
图8是本实用新型的制作方法中步骤S4的示意图；
图9是本实用新型的制作方法中步骤S5的示意图；
图10是本实用新型的制作方法中步骤S7的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2-4所示，本实用新型，即一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，包括：多个呈阵列分布的微腔单元1以及位于微腔单元1下方的衬底7，其中，
每个微腔单元1包括：上金属电极2，以及一设置在上金属电极2的下表面上的量子阱探测器的外延层3(外延层3的几何尺寸与上金属电极2的几何尺寸相同)，所有微腔单元1还包括一共用的供量子阱探测器的外延层3设置于其上的下金属电极板4，该下金属电极板4设置在衬底7的上表面上；
每一列的多个微腔单元1通过微腔连接线5依次串联；
第一排的多个微腔单元1分别通过一根微腔连接线5同时连接至一个电连接板6，最后一排的多个微腔单元1分别通过一根微腔连接线5同时连接至另一个电连接板6，两个电连接板6分别通过一接线端子8连接至外部电路；
其中，微腔单元1中的上金属电极2为亚波长贴片天线(由于微腔单元1呈阵列分布，因此构成了亚波长贴片天线阵列)，量子阱探测器的外延层3包括由上至下依次连接的上接触层31、有源区32(包括GaAs和AlGaAs交替生长的半导体超晶格结构)和下接触层33。
上述的微腔连接线5、电连接板6和接线端子8均具有与微腔单元1相同的层阶结构，即，自下金属电极板4由下至上依次连接的外延层3和上金属电极2。
上述的呈阵列分布的微腔单元1在阵列的横向与纵向上的个数可按需设计，在本实施例中，为了与图1中示出的采用常规45°斜面抛光衬底耦合结构的量子阱探测器对比，微腔单元1的个数可以等于图1中量子阱探测器的光敏面积除以微腔单元1的上表面的面积；具体来说，如图3所示，微腔单元1的上表面(即贴片天线)的几何参数包括：贴片天线的横向尺寸s和纵向尺寸w；微腔单元1之间的微腔连接线5的几何参数包括：连接线长度dw和连接线宽度stri；在确定了量子阱探测器材料的本征探测频率后，即可设计上述几何参数，以使微腔单元1支持与量子阱探测器材料的本征探测频率相等的电磁波模式。
另外，在本实施例中，上金属电极2和下金属电极板4均可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成，选择后者将更有利于上金属电极2和下金属电极板4与外延层3的上、下接触层31、33掺杂的GaAs材料形成良好的欧姆接触。
下面结合图5-10，对本实用新型的制作方法进行详细说明：
步骤S1，如图5所示，提供由半绝缘GaAs制成的样本材料层101，并在该样本材料层101的上表面由下至上依次生长GaAs缓冲层(图中未示)、刻蚀阻挡层102(AlGaAs材质)和量子阱探测器的外延层3，其中，外延层3包括由下至上依次连接的N型掺杂下接触层、有源区32和N型掺杂上接触层；
步骤S2，如图6a、6b所示，提供由N+型GaAs制成的衬底材料层201，作为耦合结构中的衬底7，且该衬底材料层201的平面几何尺寸大于样本材料层101的平面几何尺寸，并在步骤S1中的外延层3以及衬底材料层201的上表面通过电子束蒸发(或磁控溅射)分别形成第一金属材料层103和第二金属材料层202；
步骤S3，如图7所示，在320℃的温度以及8MPa的压力下，对第一金属材料层103和第二金属材料层202进行不少于20分钟的金金键合，以形成第三金属材料层203(如图8中所示)，作为耦合结构中的下金属电极板4；
步骤S4，如图8所示，用研磨抛光机将样本材料层101剪薄后，用湿法腐蚀溶液将剩余的样本材料层101及刻蚀阻挡层102腐蚀去除，以露出步骤S1中外延层3中的N型掺杂下接触层，作为外延层3的上接触层31，此时，步骤S1中外延层3中的N型掺杂上接触层则与第三金属材料层203连接，作为外延层3的下接触层33；
步骤S5，如图9所示，在步骤S4中的外延层3的上表面通过电子束蒸发(或磁控溅射)形成第四金属层204，作为耦合结构中的上金属电极2；
步骤S6，在第四金属层204的上表面光刻贴片天线阵列图形，并用光刻胶做掩膜，刻蚀形成耦合结构中的微腔单元1、微腔连接线5、电连接板6和接线端子8；
步骤S7，如图10所示，将衬底材料层201剪薄后在其下表面(即背面)上生长第五金属层205，以使耦合结构能够与热沉更牢固地粘贴在一起，并使其散热性更好；
步骤S8，在不低于350℃的温度下进行不少于30秒的高温快速退火，以使耦合结构中的上金属电极2和下金属电极板4形成良好的欧姆接触，有效抑制量子阱探测器的暗电流；
步骤S9，解理器件、金丝焊接、封装，至此完成耦合结构的制作。
在上述制作过程中，第一金属材料层103、第二金属材料层202和第四金属层204均可以采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成，选择后者将更有利于金属材料层与外延层3的上、下接触层31、33掺杂的GaAs材料形成良好的欧姆接触。
综上所述，本实用新型具有以下优点：
1、本实用新型采用亚波长贴片天线可有效增加量子阱探测器光敏面的有效吸收面积，提高量子阱探测器对入射光的吸收效率；
2、本实用新型采用双面金属结构的微腔单元可使微腔内部等离子体波与THz光场实现共振增强，提高量子阱探测器的响应率；
3、本实用新型采用多个微腔单元构成的阵列结构具有类似光栅的效应，可改变正入射的THz光的方向，使其符合跃迁选择定则，从而被量子阱探测器的有源区吸收。
4、本实用新型的设计自由度高，设计者可根据量子阱探测器的本征探测频率对微腔单元上表面的几何尺寸进行设计，使微腔单元支持特定震荡频率的电磁波，从而达到等离子体波与入射光场的共振增强。
5、本实用新型的具有亚波长贴片天线的微腔阵列耦合结构不仅适用于THz波段，也同样适用于红外波段的量子阱探测器，因此，在红外及THz波段的大规模焦平面阵列成像领域中具有广泛的应用前景。
以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述耦合结构包括：多个呈阵列分布的微腔单元以及一位于所述微腔单元下方的衬底，其中，
每个所述微腔单元包括：一上金属电极，以及一设置在所述上金属电极的下表面上的所述量子阱探测器中的外延层，该外延层的几何尺寸与所述上金属电极的几何尺寸相同；
所有所述微腔单元还包括：一共用的供所述外延层设置于其上的下金属电极板，该下金属电极板设置在所述衬底的上表面上；
每一列的多个所述微腔单元通过微腔连接线依次串联；
其中，所述上金属电极为亚波长贴片天线。
2.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述上金属电极和下金属电极板均采用非合金化的Ti和Au或者采用连续生长的Pd、Ge、Ti和Au制成；所述衬底采用N+型GaAs制成。
3.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述微腔连接线包括：所述下金属电极板，以及自该下金属电极板由下至上依次连接的所述外延层和上金属电极。
4.根据权利要求1所述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其特征在于，第一排的多个所述微腔单元分别通过所述微腔连接线同时连接至一个电连接板，最后一排的多个所述微腔单元分别通过所述微腔连接线同时连接至另一个电连接板，两个所述电连接板分别通过一接线端子连接至外部电路。
5.根据权利要求4所述的用于量子阱探测器的微腔阵列耦合结构，其特征在于，所述电连接板和接线端子均包括：所述下金属电极板，以及自该下金属电极板由下至上依次连接的所述外延层和上金属电极。
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