基于表面等離激元的長波QWIP光柵優(yōu)化

王國東，倪 璐，朱紅偉，王賽麗

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作454003）

引言

基于GaAs／AlGaAs材料的量子阱紅外探測器（QWIP）具有均勻性好、響應(yīng)速度快、器件制作工藝成熟、抗輻照、成本低等特點［1-6］，在當前以大面陣、多色等為特性的第三代紅外焦平面技術(shù)中占有十分重要的地位。在長波、甚長波探測及雙色探測方面，量子阱紅外探測器被認為是傳統(tǒng)碲鎘汞紅外探測器的有力競爭者之一［7］。然而，根據(jù)量子力學(xué)的躍遷定則，只有電矢量平行于量子阱生長方向的入射光才能被量子阱吸收，產(chǎn)生光生載流子，正入射光基本上不能被量子阱吸收。為此常采用45℃角耦合、光柵耦合等方式來改變光的傳播方向?qū)崿F(xiàn)紅外光被QWIP的有源區(qū)吸收，實現(xiàn)紅外光的有效探測。自從Ebbsen等人發(fā)現(xiàn)金屬周期性孔陣列中的表面等離激元效應(yīng)（SPPs）以來，SPPs對于入射電磁波的強烈調(diào)制作用已引起了人們的重視，并被用于提高光電器件的效率，如半導(dǎo)體激光器、太陽能電池和量子點紅外探測器等［8-11］。在中／長波紅外波段，表面等離激元的傳播長度足夠大，能有效地到達整個量子阱區(qū)，光學(xué)損失相對較小，因此若將SPPs應(yīng)用于長波量子阱紅外探測器的光耦合，將會大大提高QWIP的光吸收效率及探測靈敏度。

本文采用三維時域有限差分算法（3DFDTD），詳細分析在SPPs調(diào)制下長波量子阱紅外探測器中光柵的耦合效率，并給出了光柵的優(yōu)化參數(shù)。

1 三維仿真建模

三維時域有限差分算法是嚴格求解麥克斯韋方程的數(shù)值算法，可以用來分析表面等離激元作用下量子阱有源區(qū)的光場分布。本文所采用的量子阱紅外探測器模型如圖1所示，自底部至頂部分別為GaAs襯底、n-GaAs下接觸層、QWIP有源區(qū)、n-GaAs上接觸層、光柵層。紅外光自頂部垂直入射，經(jīng)光柵層后到達QWIP有源區(qū)。光柵層是在金屬薄膜上周期性刻蝕六角晶格圓孔構(gòu)成的，圓孔的周期為P，孔的直徑為D，如圖2所示。在此，我們規(guī)定QWIP有源區(qū)的生長方向為Z軸，指向襯底方向為正，沿器件面為X-Y平面，其中心為零點。設(shè)入射光源為平面波，光源距離光柵層的距離為0.05μm。則距光柵層底部距離為Z的X-Y平面區(qū)域內(nèi)入射光的耦合效率可表示為

式中：Em為入射光的電場分量；Ez為X-Y平面區(qū)域內(nèi)沿Z軸的電場分量。由于3D-FDTD仿真計算受到運算時間和計算機存儲空間的限制，因此采用FDTD方法只能選擇一個合理的積分區(qū)域，并固定積分區(qū)域計算得到相對的耦合效率。這僅是由于數(shù)值計算上局限性，但并不影響計算結(jié)果所表現(xiàn)的物理特性［12］。

圖1 長波量子阱紅外探測器仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model of long-wave quantum well infrared detector

圖2 光柵層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of grating layer

2 計算與分析

沿Z方向入射的紅外光只有垂直于Z方向的電矢量，不能被QWIP有源區(qū)直接吸收。光通過如圖2所示的周期性金屬薄膜（光柵層）可以產(chǎn)生TM模式的表面等離激元，其存在Z方向的電矢量，可以被QWIP有源區(qū)吸收。圖3給出了距離光柵層底部z＝0.1μm處Z方向電矢量的分布圖。從圖中可以看出，垂直入射的紅外光其傳播方向明顯改變，且光場集中在與光柵孔對應(yīng)的位置上，即光柵孔在X-Y平面上的投影處。同時，計算表明在不同的X-Y平面上，光的強度是隨著距光柵層的距離增大按照e指數(shù)規(guī)律減小的，如圖4所示，這正好符合表面等離激元激發(fā)光場的傳播規(guī)律，從而證明了X-Y平面上的Z方向電場確實是表面等離激元激發(fā)的。圖中采用的計算參數(shù)：光柵周期為P＝2.8μm，孔直徑為D＝1.6μm，光柵層厚度為L＝0.08μm。

圖3 距離光柵層0.1μm處Z方向電場分布圖Fig.3 Distribution of Zdirection's electric field at 0.1μm away from grating layer

為了詳細分析光柵層參數(shù)對光耦合效率的影響，我們詳細分析了不同周期、不同占空比、不同光柵層厚度下光的耦合效率。圖5給出了13個取不同值時光耦合效率隨周期P變化的曲線圖，從圖中可以看出周期P取2.8μm～3.0μm時，光柵相對耦合效率最高。圖中孔直徑取D＝1.4μm，光耦合層厚度L＝0.08μm。

圖4 光場強度隨距光柵層距離變化曲線Fig.4 Light field intensity with respect to distance from grating layer

取周期P＝2.8μm，改變孔的直徑進行分析，得到如圖6所示的結(jié)果。從圖中可以看出當孔直徑取D＝1.4μm左右時，光柵相對耦合效率達到最大值。

圖5 不同周期下的相對耦合效率曲線Fig.5 Relative coupling efficiency with respect to grating period

圖6 不同光柵孔直徑下的相對耦合效率曲線Fig.6 Relative coupling efficiency with resptct to diameter of grating hole

在前面分析基礎(chǔ)上，取P＝2.8μm，D＝1.4μm，分析光耦合層厚度對相對耦合效率的影響得到的結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出當L＝0.04μm時，光耦合效率達到最大值。

圖7 不同光柵厚度下的相對耦合效率曲線Fig.7 Relative coupling efficiency with respect to thickness of grating layer

縱上分析，可得到光柵的最佳參數(shù)，即當P＝2.8μm，D＝1.4μm，L＝0.04μm時，在表面等離激元激發(fā)下的Z方向電場達到最大值，光柵耦合效率最高。

3 結(jié)論

為了提高量子阱紅外探測器的光探測率及靈敏度，采用3D-FDTD算法，詳細分析了表面等離激元作用下光柵參數(shù)對垂直入射光相對耦合效率的影響。對于8μm的入射光，當光柵周期P＝2.8μm，孔直徑D＝1.4μm，光柵層厚度L＝0.04μm時，X-Y平面內(nèi)Z方向電場值最大，光柵的耦合效率最高。該結(jié)果對于量子阱紅外探測器的優(yōu)化設(shè)計和探測率的提高具有一定的指導(dǎo)意義。

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