基于SP效應(yīng)的中波量子阱紅外探測(cè)器光柵優(yōu)化

倪璐1, 田力2

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 河南 焦作 454000;

2.河南平原光電有限公司, 河南 焦作 454000)

摘要：從建模、仿真結(jié)果出發(fā),加入表面等離激元效應(yīng),運(yùn)用時(shí)域有限差分算法(FDTD),研究中波量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)的近場(chǎng)效應(yīng)和光耦合效率.重點(diǎn)研究在SP效應(yīng)下QWIP二維光柵的最優(yōu)參數(shù).計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于4 μm的入射光,當(dāng)光柵周期為P=1.3 μm,柵孔深度h=0.4 μm,柵孔的占空比為d=0.8時(shí),X-Y平面內(nèi)Z方向電場(chǎng)值最大,光柵的耦合效率最高.

關(guān)鍵詞：量子阱紅外探測(cè)器; 表面等離激元效應(yīng); 二維光柵; 耦合效率

收稿日期：2014-07-07

作者簡(jiǎn)介：倪璐(1989—),女,碩士研究生,主要從事控制工程以及微電子方面的研究. E-mail:276649252@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 362文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Grating Optimization of QWIP for Mid-wave Based on Surface PlasmonNI Lu1, TIAN Li2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University,

Jiaozuo 454000, China; 2.Henan Pingyuan Optics Electronics Co., Ltd., jiaozuo 454000, China)

Abstract：A study was made on the near field and coupling efficiency of mid-wave quantum well infrared detectors under the surface Plasmon effect through modeling and simulation.The optimal parameters in the SP effect of two-dimensional grating can be obtained using the FDTD algorithm.Calculation results show that the electric field along the Z direction reached its maximum in the X-Y plane when the grating parameters are taken as P=1.3 μm、h=0.4 μm and d=0.8.

Keywords：QWIP; SPPs; 2-D grating; coupling efficiency

0引言

紅外探測(cè)器是一種對(duì)于紅外輻射進(jìn)行高靈敏度感應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件,是紅外探測(cè)系統(tǒng)中的核心元件.量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)自從20世紀(jì)80年代被驗(yàn)證后,得到了廣泛積極的研究[1].目前國(guó)外量子阱紅外焦平面器件發(fā)展已趨成熟,中等規(guī)模256×256、320×240、512×480和640×512規(guī)格的單色焦平面器件以及相關(guān)熱成像系統(tǒng)在美、德和法國(guó)等先進(jìn)國(guó)家已商品化[2].隨著量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)的快速發(fā)展,以GaAs為基礎(chǔ)的QWIP在材料生長(zhǎng)和工藝加工方面已十分成熟,可以形成高靈敏度、低功率、低成本和高均勻性的紅外成像系統(tǒng),因此成為第三代紅外探測(cè)器的優(yōu)選技術(shù)方案之一[3-7].但是,由于QWIP對(duì)正入射的紅外光不敏感,在雙色焦平面器件中必須制作耦合光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)正入射紅外光的探測(cè),而且根據(jù)量子阱子帶躍遷選擇定則,只有電場(chǎng)方向平行于量子阱生長(zhǎng)方向的光波才能激發(fā)子帶躍遷,而耦合光柵過(guò)低的耦合效率使得焦平面器件的量子效率及探測(cè)靈敏度較低,這在很大程度上限制了QWIP性能的進(jìn)一步提升[8-10].

因此,為了提高器件的量子效率和探測(cè)靈敏度,可以采用表面等離激元效應(yīng)(SPPs)來(lái)提高QWIP對(duì)正入射光的吸收效率.表面等離激元是光與金屬表面的自由電子相互作用所引起的一種電磁波模式.在這種相互作用中,自由電子在與其共振頻率相同的光波照射下發(fā)生集體震蕩.研究表明,采用SP效應(yīng)對(duì)中波QWIP整體性能的提高有很大的意義[11-13].

本文采用三維時(shí)域有限差分算法(3D-FDTD),詳細(xì)分析了在SP調(diào)制下中波量子阱紅外探測(cè)器中光柵的耦合效率,并給出光柵的優(yōu)化參數(shù).

1三維仿真建模

FDTD算法是把Maxwell方程組在時(shí)間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分化,對(duì)空間領(lǐng)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算,通過(guò)時(shí)間領(lǐng)域上的更新來(lái)模仿電磁場(chǎng)的變化,達(dá)到計(jì)算的目的,能夠直接模擬場(chǎng)的分布,精度比較高,是目前使用比較多的數(shù)值模擬的方法之一[14].本文采用的量子阱紅外探測(cè)器的模型如圖1所示,從頂部至底部分別為光柵層(柵孔深度為h)、n-GaAs上接觸層襯底、QWIP有源區(qū)、n-GaAs下接觸層襯底、GaAs襯底.紅外光自底部垂直入射,經(jīng)QWIP有源區(qū)后到達(dá)光柵.

圖1　中波量子阱紅外探測(cè)器仿真模型示意圖

光柵層是由在Au層上周期性刻蝕GaAs材料的方孔四方晶格構(gòu)成,孔的周期為P,直徑為D,如圖2所示.

圖2　方孔四方晶格結(jié)構(gòu)示意圖

規(guī)定有源區(qū)的生長(zhǎng)方向?yàn)閆軸,指向襯底方向?yàn)檎?沿器件面為X-Y平面,其中心為零點(diǎn).設(shè)入射波長(zhǎng)為4 μm,襯底厚度為6 μm,光柵厚度為0.32 μm,光柵上面覆蓋一層0.4 μm的Au,光源在襯底上距離為5 μm.Z平面區(qū)域入射波耦合效率可認(rèn)為是:

(1)

式中:Ez為積分平面內(nèi)沿Z方向的場(chǎng)分量,Eim為設(shè)定光源處入射處的入射場(chǎng)分量Ex、Ey.

2計(jì)算與分析

沿Z方向入射的紅外光只有垂直于Z方向的電矢量才能被QWIP有源區(qū)直接吸收.光通過(guò)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為距離光柵層底部Z=0.12 μm處Z方向電矢量的分布圖.從圖3中可以看出,垂直入射的紅外光的傳播方向明顯改變,且光場(chǎng)集中在與光柵孔對(duì)應(yīng)的位置上.圖中采用的計(jì)算參數(shù)為:光柵周期1.55 μm,孔直徑0.775 μm,柵孔深度0.32 μm.

為了研究光柵層參數(shù)對(duì)光耦合效率的影響,我們分析了不同周期、不同柵孔深度、不同占空比下光的耦合效率.此處占空比是指柵孔直徑與周期的比值,即:d=D/P.如圖4所示,給出了5個(gè)Z取不同值時(shí)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1.3 μm左右時(shí),光柵相對(duì)耦合效率最高.圖中孔直徑取D=0.65 μm,柵孔的占空比d=0.5,以此設(shè)定參數(shù)進(jìn)行以下分析.

圖3　距離光柵層1.2 μm處 Z方向電場(chǎng)分布圖

圖4　光柵在不同周期的耦合效率

取周期P=1.3 μm,改變孔的深度h進(jìn)行分析,得到如圖5所示的結(jié)果.從圖中可以看出當(dāng)柵孔深度h=0.4 μm時(shí),光柵相對(duì)耦合效率達(dá)到最大值.因此,可以在此基礎(chǔ)上分析其他參數(shù)對(duì)耦合效率的影響.

在前兩步分析的基礎(chǔ)上,取以下參數(shù):P=1.3 μm,h=0.4 μm,d=0.8分析占空比對(duì)相對(duì)耦合效率的影響,得到的結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出當(dāng)占空比在0.7～0.8時(shí),光耦合效率達(dá)到最優(yōu),且變化不大;占空比大于0.8以后,光柵耦合效率急劇下降.

圖5　光柵在不同柵孔深度的耦合效率

圖6　光柵在占空比不同時(shí)的耦合效率

綜上分析,可以得到光柵的最佳參數(shù),即當(dāng)P=1.3 μm、h=0.4 μm、d=0.8時(shí),在表面等離激元激發(fā)下的Z方向電場(chǎng)達(dá)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(cè)器的光探測(cè)率及靈敏度,采用3D-FDTD算法,詳細(xì)分析了表面等離激元作用下光柵參數(shù)對(duì)垂直入射光相對(duì)耦合效率的影響.對(duì)于4 μm的入射光,當(dāng)光柵周期P=1.3 μm,柵孔深度h=0.4 μm,占空比d=0.8時(shí),X-Y平面內(nèi)Z方向電場(chǎng)值最大,光柵的耦合效率最高.該結(jié)果對(duì)于中波量子阱紅外探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和探測(cè)率的提高具有一定的指導(dǎo)意義.

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