應(yīng)用于量子阱紅外探測器的表面等離子體增強耦合光柵研究.pdf

1、量子阱紅外探測器（Quantum Well Infrared Photodetector）作為紅外探測器發(fā)展的新時代，已經(jīng)從20世紀(jì)九十年代就展開了研究步伐。量子阱紅外探測器的探測波長是通過改變材料的Al組分、阱寬或勢壘高度來調(diào)節(jié)的，光躍遷發(fā)生在同一帶內(nèi)的不同子帶間，本質(zhì)上屬于非本征光電導(dǎo)機制，除了波長調(diào)節(jié)范圍大外，它還可以利用寬帶材料(如GaAs/AlGaAs等)來制作，給材料選擇以較大的靈活性。由于同一導(dǎo)帶(或價帶)內(nèi)不同子帶間的躍

2、遷密切依賴于光極化場方向，因而這類探測器存在的主要問題是對垂直光入射吸收的禁戒性。因此，把更多的入射光耦合到量子阱中并產(chǎn)生更多的能激發(fā)基態(tài)電子的有效電矢量便成為量子阱紅外探測器的一個重要研究方向。
　　經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了若干種耦合方式：（1）450光波導(dǎo)或者Brewster角入射；（2）波紋耦合；（3）隨機反射光柵；（4）光柵耦合，包括一維衍射光柵和二維衍射光柵。而本文的重點在于提出一種新型的二維光柵來實現(xiàn)更高的耦

3、合效率，即基于表面等離子體激元增強的金屬光柵。該金屬光柵利用金屬與半導(dǎo)體的接觸面以及金屬上周期分布的陣列結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)周期的材料色散來調(diào)制入射光并對金屬表面的自由電子激發(fā)共振，從而形成表面等離子體波（Surface Plasmon Wave）以達(dá)到電場增強效果。
　　本文提出的金屬光柵設(shè)計旨在為基于GaN/AlGaN的中紅外量子阱探測器設(shè)計一個合理的耦合層，以提高量子阱的探測效率。在模擬和實驗中通過改變二維金屬光柵的尺寸、金屬膜厚度、

4、金屬類型、光柵類型、鈍化層厚度等參數(shù)來實現(xiàn)探測波段為3~5m的最佳耦合光柵。
　　模擬部分使用FDTD Solutions軟件，采用FDTD計算方法，由于在金屬光柵的模擬計算中，其形貌特征尺寸和波長具有同一數(shù)量級，該方法在時間和空間上都把麥克斯韋方程組看作是有限差分方程，因此FDTD法變得更合適。
　　實驗部分是在藍(lán)寶石基底材料上制作金屬光柵，脫離量子阱材料，只用雙面拋光的藍(lán)寶石來實驗，利用Stepper步進(jìn)式光刻機光刻，用