基于表面等离子体效应的algan2fgan量子阱中红外探测器光耦合的仿真研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1AlGaN/GaN量子阱中红外探测器光耦合的研究背景红外探测具有重要的意义，它被应用于预警、制导、跟踪、夜视和大地测绘等军事领域，也应用于矿物资源探测、森林防火、工业过程监控及医疗卫生等国民经[1]济领域。红外探测器可以分为常温探测器和低温探测器。目前的室温红外探测器都属于热探测器，光谱分辨能力差，探测灵敏度低，响应速度慢。而在低温下工作的基于光电效应的光子探测器可以克服上述缺点。目前，碲镉汞（HgCdTe）红外探测器是应用最广泛的低温红外探测器，其具有探测波长1~30μm内可调、光子吸收率高、暗电流小等优点。然而，碲镉汞既软且脆，不易加工，

2、且Hg-Te化学键脆弱，会在体内和表面处表现出不稳定性，这导致大尺寸的碲镉汞材料均匀性差，大面阵芯片的盲元率不易改善。另外，碲镉汞材料的特殊性质导致的表面漏电流对碲镉汞探测器的性能影响较大。为了制造出以低成本、大面阵和多色高精度探测为特点的第三代红外焦平面探测器，人们把目光投向了基于“能带工程”的Ⅲ-Ⅴ族量子阱红外探[2]测器（QWIP）。量子阱红外探测器源起于20世纪80年代中期，是红外探测领域的新秀，它利用量子阱中导带电子的子带间跃迁来进行红外光探测。两种禁带宽度不同的半导体材料交替生长，且势垒层较厚时，就形成了多量子阱。被束缚在势阱中的电子可以吸收红外光子从基态跃迁到激发

3、态，并在外加电场的促进作用下被输运而形成光电流信号。通过调节势阱宽度和势垒高度，可以调节多量子阱的响应波长。由于量子尺寸效应，多量子阱光谱响应带宽窄，特定结构的量子阱堆栈对设计波长以外的波长是[3]透明的，这使得量子阱红外探测器可以实现像素同位、同时读出的红外多色探测。[2]另外，量子阱红外探测器材料生长和制备工艺成熟，均匀性和稳定性好。正是上述优点，使量子阱红外探测器成为第三代焦平面阵列的有力竞争者。[4][5]目前，AlGaAs/GaAs、InGaAs/InP和AlGaN/GaN是量子阱红外探测器常用的材料体系。其中AlGaN材料是一种宽禁带半导体材料，物理化学性质稳定，抗

4、高温1万方数据华中科技大学硕士学位论文和辐射，适用于恶劣的工作环境。其次，AlGaN/GaN异质结构材料有大的连续可调的导带不连续度，使得基于AlGaN材料的量子阱红外探测器的探测波长可以覆盖近[6][7]红外通信波段（1.3~1.55μm）和中红外大气窗口波段（3~5μm）。另外，AlGaN材料是一种高度极化的材料，其纵向光学（LO）声子的能量大（对于GaN其约为92meV），电子的有效质量也比较大，载流子与LO声子相互作用的效率高，因而氮[8]化物材料内的子带间吸收的恢复时间很短，利于实现探测器件的高频操作。而且，AlGaN/GaN材料体系容易实现双色和多色器件集成，把红外

5、探测和日盲紫外探测集成在一起的双色探测器件可以有效的降低导弹预警的虚警率，受到军方的广泛关注。然而，量子阱红外探测器也存在许多不足。其热激发载流子诱发的暗电流较大，[9]因而需要较低的工作温度来抑制暗电流。另外，量子阱内利用掺杂产生的用于光吸收的载流子数目远远低于传统体材料的载流子数目，这导致量子阱红外探测器的量[2][10]子效率比较低。更值得一提的是，量子阱子带间跃迁存在选择定则，光电场具有沿量子阱生长方向的分量时，光子才能引发量子阱中电子的子带间跃迁。因而，传播方向垂直于量子阱表面的入射光没法引发子带间吸收而形成光电流。把需要探测的红外光有效地耦合到量子阱红外探测器中是近

6、年来人们研究的热点。目前，量子阱红外探测器的光耦合方式主要有45°磨角耦合以及二维光栅耦合。其中，45°磨角耦合的方法简单易行，但这种方法的光耦合效率较低，且无法应用到焦平面阵列中，只适合于生长材料的探测峰值的测定。均匀多量子阱结构的光谱响应带宽窄，使得量子阱红外探测器一般为窄谱探测器。光栅具有选频效果，当光栅选出的频率和探测器的探测频率一致时，可以使器件响应谱线的线宽变得更窄，有利于高的光谱分辨。传统的二维光栅耦合利用入射光在光栅结构处的衍射和折射，来改变入射光的传播方向和振动方向，从而获得平行于量子阱生长方向的电场分量，但这种方式的耦合效率依旧不高。若把Al、Au等贵金属作

7、为光栅的材料而形成二维金属光栅，那么在入射光衍射的过程中，可以在金属光栅表面形成表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons—SPPs)。表面等离子体激元是被局限在导体（通常是金属）表面附近的沿着导体表面传播的光波，这种局限是光波和导体中的自由电子共[11]振耦合的结果。表面等离子体激元的这种局域特性可以极大地促进入射光的透射，2万方数据华中科技大学硕士学位论文增强金属表面附近量子阱区域中光场的强度，并同时调制光场的振动方向，产生大量平行于量子阱生长方向的电场分量，使得