金屬微孔陣列增強(qiáng)AlGaN基量子阱紅外探測(cè)器光耦合研究

熊　輝，桂　堤，許四平，葉蒼竹，吳遠(yuǎn)策，官守軍，師巖峰

(1湖北理工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,湖北 黃石 435003；2華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，

湖北 武漢 430074；3黃石晨信光電股份有限公司，湖北 大冶 435100)

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金屬微孔陣列增強(qiáng)AlGaN基量子阱紅外探測(cè)器光耦合研究

熊輝1,2,3，桂堤2，許四平1，葉蒼竹3，吳遠(yuǎn)策3，官守軍3，師巖峰3

(1湖北理工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,湖北 黃石 435003；2華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，

湖北 武漢 430074；3黃石晨信光電股份有限公司，湖北 大冶 435100)

摘要：研究了表面等離子體的激發(fā)和傳輸物理機(jī)制，將金屬二維孔陣列激發(fā)的表面等離子體近場(chǎng)光增強(qiáng)效應(yīng)引入AlGaN基量子阱紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)中，利用時(shí)域有限差分(FDTD)方法對(duì)器件在垂直入射光照射下內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了金屬微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)探測(cè)器吸收波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)金屬微孔陣列層厚為100 nm、陣列周期為1.5 μm、方孔邊長(zhǎng)為700 nm時(shí)，對(duì)探測(cè)器性能的提高最為顯著。

關(guān)鍵詞：表面等離子體；AlGaN量子阱；紅外探測(cè)器

隨著半導(dǎo)體外延技術(shù)的提高，量子阱紅外探測(cè)器在過(guò)去10年得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)逐漸成為紅外熱像儀、紅外溫度測(cè)試儀和紅外熱分析儀的核心部件。由于具有大的導(dǎo)帶偏移超快的載流子弛豫時(shí)間等特點(diǎn)，AlGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的子帶間躍遷(ISBT)在光探測(cè)器、電光調(diào)制器和光開(kāi)關(guān)等方面有很好的應(yīng)用前景。特別是該量子阱結(jié)構(gòu)和高Al組分AlGaN可以單片外延生長(zhǎng), 能夠?qū)崿F(xiàn)雙波段(3~5 μm紅外大氣窗口波段和280 nm紫外日盲波段)光電探測(cè)的單芯片集成,是當(dāng)前III~V族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。但是，量子阱探測(cè)器由于入射光電矢量只有平行于生長(zhǎng)方向的部分對(duì)光電流信號(hào)有貢獻(xiàn)，光能量利用率低，導(dǎo)致量子阱紅外探測(cè)器器件量子效率普遍低于20%[3]。

自從Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)光通過(guò)周期性的金屬納米孔陣列的超傳輸現(xiàn)象[4]，金屬表面等離子體的特性吸引了大量科學(xué)家的研究興趣，并已應(yīng)用到許多領(lǐng)域[5]。在光電子行業(yè)，表面等離子體被用來(lái)提高光電子器件效率，如太陽(yáng)能電池[6]、光發(fā)射器[7]、半導(dǎo)體激光器[8]和光電探測(cè)器[9]。近幾年，金屬周期性微孔陣列已經(jīng)被應(yīng)用到量子點(diǎn)紅外探測(cè)器，實(shí)驗(yàn)表明其可以提高探測(cè)器的效率[10-11]。但是，據(jù)筆者所知，目前還沒(méi)有通過(guò)表面等離子體提高AlGaN基量子阱紅外光探測(cè)器(QWIP)性能的系統(tǒng)研究。對(duì)于中、長(zhǎng)波段的紅外波長(zhǎng)，大多數(shù)QWIP器件在使用過(guò)程中，表面等離子體的穿透深度在金屬中會(huì)大大減少，但在距離金屬表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)卻有很強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)存在，這一特點(diǎn)與量子阱材料對(duì)入射光的方向選擇特性相符。因此，將表面等離子體增強(qiáng)表面電場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)引入量子阱紅外探測(cè)的光耦合方式，將大大提高其光吸收效率及光電流強(qiáng)度，同時(shí)表面等離子體光柵結(jié)構(gòu)還具有濾波的作用，可以降低器件噪聲，縮短探測(cè)帶寬，從而改善量子阱紅外探測(cè)器的器件性能。為了研究金屬微孔陣列對(duì)AlGaN基量子阱紅表面等離子體增強(qiáng)效應(yīng)的影響，本研究將通過(guò)時(shí)域有限差分(Finite Difference- Time Domain，F(xiàn)DTD)方法對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得金屬層表面等離子體增強(qiáng)探測(cè)器入射紅外光效率的方法。

1FDTD仿真原理與模型

在多種可用的數(shù)值方法中，時(shí)域有限差分法(FDTD)是一種新近發(fā)展起來(lái)的可選方法。1966年，K.S.Yee首次提出電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的FDTD。經(jīng)歷了20年的發(fā)展FDTD法才逐漸走向成熟。上世紀(jì)80年代后期以來(lái)FDTD法進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，即由成熟轉(zhuǎn)為被廣泛接受和應(yīng)用的階段。FDTD法是解決復(fù)雜問(wèn)題的有效方法之一，是一種直接基于時(shí)域電磁場(chǎng)微分方程的數(shù)值算法，它直接在時(shí)域?qū)axwell旋度方程用二階精度的中心差分近似，從而將時(shí)域微分方程的求解轉(zhuǎn)換為差分方程的迭代求解[12]。

在FDTD中，時(shí)間增量△t和空間增量△x、△y、△z之間不是相互獨(dú)立的，它們的取值必須滿足一定的關(guān)系，以避免數(shù)值結(jié)果的不穩(wěn)定，表現(xiàn)為：隨著時(shí)間步數(shù)的增加，計(jì)算結(jié)果發(fā)散。造成解不穩(wěn)定的因素主要有如下3種。

1)誤差因素:計(jì)算機(jī)在計(jì)算過(guò)程中，原始數(shù)據(jù)可能有誤差，如系數(shù)陣列建立過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，而每次運(yùn)算由于只能保留有限位數(shù)而又產(chǎn)生誤差，誤差的積累有可能淹沒(méi)真正解，使計(jì)算結(jié)果不可靠，即不穩(wěn)定。

2)計(jì)算方法不合適。

3)△t、h離散間隔不當(dāng)?shù)?。為了確定數(shù)值解穩(wěn)定的條件，有許多推導(dǎo)方式，結(jié)論相同[13]。

(1)

(2)

在非均勻區(qū)域，v取最大值；真空中v=c(光速)。

若是正方體Yee元胞，δ=△x=△y=△z，那么：

(3)

若是正方形Yee元胞(二維)，δ=△x=△y，那么：

(4)

若是線段等分Yee元胞(一維)，那么：

(5)

當(dāng)波傳播的速度是頻率的函數(shù)，即速度與頻率有關(guān)時(shí)，稱(chēng)其波為色散波。用差分法計(jì)算時(shí)，會(huì)在計(jì)算網(wǎng)格中引起模擬波模的色散，即在時(shí)域有限差分網(wǎng)格中，數(shù)值波模的傳播速度隨頻率變化，即速度隨數(shù)值波模在網(wǎng)格中的傳播方向以及離散化情況的不同而改變。這種色散將導(dǎo)致非物理因素引起的脈沖波形畸變，人為的各向異性及虛假折射現(xiàn)象，都會(huì)給計(jì)算帶來(lái)誤差，因此要盡量減小數(shù)值色散[14]。

為了減小數(shù)值色散，除了滿足式(4)外，可取比式(3)更高的要求：

(6)

并令電磁波沿網(wǎng)格的對(duì)角線方向傳播，這時(shí)有kx=ky=kz=k,可以得到理想的色散關(guān)系。

本研究采用三維FDTD法仿真光場(chǎng)的分布。模擬的結(jié)構(gòu)具有周期性，只取原胞(一個(gè)結(jié)構(gòu)周期)作為模擬對(duì)象，原胞四周采用周期邊界條件，原胞的上下界面采用Mur吸收邊界條件，用總場(chǎng)和散射技術(shù)在計(jì)算空間加入光源。仿真中所用光源為垂直入射的線偏振平面光波。AlGaN基量子阱紅外光探測(cè)器接收端面仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在本研究中，用Au作為金屬層?？钻嚵胁捎梅叫侮嚵?，方形孔的對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)，透射率對(duì)入射光偏振態(tài)的依賴(lài)小。金屬層微孔陣列模型結(jié)構(gòu)的俯視尺寸如圖2所示。

2仿真實(shí)驗(yàn)與分析

2.1金屬微孔層對(duì)3~5 μm中紅外光的增透作用

在不同入射波長(zhǎng)下，對(duì)金屬層下的Ez值進(jìn)行計(jì)算，得到|Ez|2的大小隨波長(zhǎng)的變化情況如圖3(a)所示。仿真結(jié)構(gòu)中，金屬層厚度為100 nm，孔陣列是周期為1.5 μm的方形陣列，方形孔邊長(zhǎng)為700 nm。|Ez|2是AlGaN介質(zhì)層中各個(gè)位置對(duì)時(shí)間求平均值的結(jié)果，由于量子阱紅外探測(cè)器(QWIPs)只對(duì)外延生長(zhǎng)方向的電場(chǎng)分量敏感，因此，該指標(biāo)反映了能被探測(cè)器吸收的光子數(shù)。

為了驗(yàn)證金屬層表面等離子體對(duì)紅外入射光的增強(qiáng)效果，現(xiàn)將金屬層換成具有同樣孔陣列的Si3N4(相對(duì)介電常數(shù)取ε=7)鈍化層，其他參數(shù)不變，金屬層更換為Si3N4鈍化層后|Ez|2的大小隨波長(zhǎng)的變化情況如圖3(b)所示。

由圖3可以看出，對(duì)于某些特定波長(zhǎng)的中紅外光，金屬孔陣列的透射增強(qiáng)效果是明顯的，如對(duì)于4.9 μm附近的入射光波，采用金屬孔陣列時(shí)AlGaN介質(zhì)層中|Ez|2的平均值是采用Si3N4鈍化層微孔陣列時(shí)的200多倍。從上述結(jié)果來(lái)看，金屬并非是入射光傳播路徑上的幾何對(duì)象，它本身是活躍的因素，特定波長(zhǎng)的光波能與金屬表面等離子體耦合，變?yōu)楸砻娴入x子波，并且金屬層空氣孔內(nèi)的局域共振使得金屬2個(gè)表面的表面等離子波能進(jìn)行能量的交換。

2.2金屬層厚度對(duì)3～5 μm中紅外光透射的影響

Ebbesen在總結(jié)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象后指出：隨著金屬厚度的增加，透射譜的長(zhǎng)波峰強(qiáng)度近乎線性減小[4]。為進(jìn)一步研究金屬層厚度對(duì)增強(qiáng)紅外吸收效果的影響，現(xiàn)將金屬層厚度增加到200 nm和300 nm，其他參數(shù)不變,仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可見(jiàn)，金屬層厚度每增加100 nm，AlGaN介質(zhì)層中的平均值下降一半，即入射光透射率隨金屬層厚度的增加而呈指數(shù)式衰減,因此，金屬層厚度設(shè)為100 nm較為合理。

2.3金屬孔陣列的周期對(duì)3～5 μm中紅外光透射的影響

金屬孔陣列的物理尺寸是影響金屬表面等離子體與入射光相互作用的關(guān)鍵因素。為了確定金屬孔陣列周期對(duì)入射光透射的影響，特別設(shè)計(jì)了幾種不同的周期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度作為模型進(jìn)行模擬仿真。金屬孔陣列周期分別為1.3 μm、1.4 μm、1.5 μm、1.6 μm時(shí)，介質(zhì)層中的平均值隨波長(zhǎng)的變化情況如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，隨著金屬微孔陣列周期由1.3μm逐步增大到1.6μm，介質(zhì)層中|Ez|2平均值的長(zhǎng)波峰位置依次在4.2 μm、4.6 μm、4.9 μm之間變化，并最終超過(guò)5 μm,即金屬微孔陣列周期長(zhǎng)度與增強(qiáng)入射光的波長(zhǎng)成正比，但是對(duì)透射光強(qiáng)度的影響不大。

具體分析如下：當(dāng)滿足如下波矢匹配條件時(shí)[4]，入射光能夠有效地和金屬表面等離子體耦合而成為表面等離子體波：

ksp=kx±nGx±m(xù)Gy

(7)

kx=(2π/λ)sinθ

(8)

Gx=Gy=2π/a0

(9)

上式中，kx表示入射光波波矢在光柵(孔陣列)平面的分量；Gx和Gy是方形陣列的光柵動(dòng)量波矢;a0為陣列周期；ksp是表面等離子體波的波矢。當(dāng)光波正入射時(shí)，kx為0，ksp由陣列周期a0決定。ksp決定了激勵(lì)的等離子波的模式，而只有特定波長(zhǎng)的光才能激勵(lì)這種模式的等離子波，因此陣列周期是影響光透射峰位置的主要因素。

3結(jié)論

本研究在理論數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，討論了金屬微孔陣列對(duì)AlGaN基量子阱紅表面等離子體增強(qiáng)效應(yīng)的影響，具體研究了金屬微孔陣列厚度、陣列周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)透射峰值位置和光強(qiáng)的影響。由于采用MOCVD技術(shù)外延生長(zhǎng)的AlGaN/GaN量子阱子帶間吸收峰的位置處于4.5~5 μm之間，建議采用的金屬微孔陣列層厚為100 nm，陣列周期為1.5 μm，方孔邊長(zhǎng)為700 nm。應(yīng)用金屬表面等離子體技術(shù)可以使AlGaN/GaN量子阱紅外光探測(cè)器獲得更強(qiáng)的入射光透射性能，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的未來(lái)應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯黃小榮)

Research of Metal Microporous Reinforced AlGaN Quantum Well Infrared Detector Array Optical Coupling

XiongHui1,2,3,GuiDi2,XuSiping1,YeCangzhu3,WuYuance3,GuanShoujun3,ShiYanfeng3

(1School of Mathematics and Physics,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Physics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074;3Huangshi Sunshine Optoelectronic Co.,Ltd,Daye Hubei 435100)

Abstract：This paper studies the excitation and transmission mechanism of the surface Plasmon.The surface Plasmon near-field optical enhancement effect excited by metal two-dimensional hole array is introduced into AlGaN quantum well infrared detector design,using the finite difference time domain (FDTD) method to do the simulation calculation for the internal distribution of the electric field under the irradiation of the vertical incident light. The influence of the metal microporous structure parameters on the detector absorption wavelength and intensity is analyzed.The results indicate that when the metal micro hole array layer thickness is 100 nm,the array 1.5 μ m,hole up to 700 nm,detectors' performance can be improved significantly.

Key words：surface plasma;AlGaN quantum well;infrared detector

中圖分類(lèi)號(hào)：O434.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4565(2016)01-0041-05

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.01.010

作者簡(jiǎn)介：熊輝，講師，博士，研究方向：光電子技術(shù)及發(fā)光材料。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科研指導(dǎo)性項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：B2014039)；湖北理工學(xué)院引進(jìn)人才項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：14xjz03R)；湖北理工學(xué)院青年項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：15xjz04Q)；湖北理工學(xué)院校級(jí)科研重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：13xjz08A)。

收稿日期：2015-11-01