[发明专利]一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法

说明书

本发明公开了一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法。其特征在于，器件结构自下而上依次为下电极、量子阱的激活层、中间介质层、金属反射层。优化方法是通过数值模拟和理论计算发现在介质超材料结构和金属反射镜之间加上一层介质层，可以在有效的增强入射光和量子阱相互作用的同时也能有效的降低金属的吸收，进而改善量子阱红外探测器的性能，另外通过结构的优化，可以实现本征探测波长在10微米的电磁波，在20微米甚至更远的波长也有很高的吸收，进而为实现红外探测器的波长拓展提供了新的依据。本发明对于改善器件的性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及量子阱红外探测器，具体是指一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法。

背景技术

由于红外探测技术的重要意义和技术难度，人们不断的尝试用新的物理效应去探索对于红外探测器性能的提升，如石墨烯红外探测器，量子点红外探测器等。在红外探测器的性能上截止波长是探测器的核心指标之一，它决定了探测器可探测的光谱范围，为此，对于红外探测器而言，延长截止波长一直是被关注的焦点之一。探测器件的功能就是将光子信号转变成电子信号，所以涉及到的信息载体是光子和电子，用电子态调控方法实现延长截止波长的工作已经有了很长的历史，而且几乎是截止波长延长的唯一途径，在光电转换中具有同样重要角色的光子始终没有能够在截止波长延长上体现出功能。但是从基本物理原理上说，电子态之间跃迁能量对应的波长比截止波长更长时，这样的跃迁的hi存在的，然而这类跃迁的吸收系数非常小，所以把光子信号转换成电信号的几率就很小，解决这个问题的一种基本方法就是把这些很小吸收系数波段的光子与电子的耦合效率进行成倍的提升。

从电子态调控的角度，人们从传统的单一光电跃迁过程发展到了二级级联的光电跃迁过程，利用量子阱子带跃迁过程的调控，使得量子阱红外探测器的截止波长从中红外延长到太赫兹波段，为了确保在太赫兹波段下探测器的暗电流得到必要的抑制，其工作温度必须降低到与太赫兹波段电子态跃迁对应的5K低温。因为电子态的跃迁能量决定的截止波长与暗电流的关系是由基本热离化机理所决定的，因此，在电子态调控下就意味着截止波长的微小延伸会导致暗电流的很大增加。

但是从光子态的角度来说，存在光子调控形成截止波长拓展的可能性，而且在这样的延长截止波长的途径中，截止波长的延长不导致暗电流的增加。通过光子态调控增强光电吸收的工作已经有了系统的研究，但是有很少的工作将光子态的调控应用在波长的拓展工作上。

因此本发明从超材料结构的设计着手进行研究，对入射的光子态进行调控，从而实现量子阱红外探测器波长拓展的性能，得出的结果将会对新型长波器件的研制具有一定的指导意义。

发明内容

本发明提供了一种实现波长拓展功能的量子阱红外探测器及设计方法，得出的结果对新型长波器件的研制具有一定的指导意义。

上述发明将超材料结构的设计引入到量子阱红外探测器结构中，利用超材料对入射的光子态进行调控，从而实现量子阱红外探测器探测波长的拓展。具体是指通过数值模拟得到利用结构的优化实现拓展波长探测的极限，通过计算得到的结果，结合严格耦合波理论就可以得到每个结构的辐射Q，吸收Q，得到各个单元的吸收Q值，从而得到量子阱红外探测器的探测极限。所说的优化超材料结构是指在介质超材料和金属反射镜之间加上一层氮化硅材料，这样既可以实现强的耦合，也可以避免了金属本身的吸收，使得量子阱能够探测到更长的波段。

本发明指利用超材料结构实现量子阱红外探测器的波长拓展的方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为；

下电极1、量子阱激活层2、光栅层3、中间介质层4、上电极5。

其中下电极1为砷化镓材料，厚度为500-800纳米，掺杂浓度均为2╳10¹⁸cm^-3；