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二类超晶格红外探测器作为新兴的带隙可调型窄禁带半导体红外探测器,由于其优越的性能,如抑制俄歇复合、暗电流低、材料均匀性好等,在军事、研究以及生活领域得到了非常广泛的应用。 另一方面随着微纳加工技术的逐渐成熟以及电磁仿真计算的日趋完善,纳米尺度上光子学和电子学相结合的新兴研究领域——表面等离激元——由于其广泛的应用,二十世纪以来得到了飞速的发展。而高掺杂半导体材料作为中红外波段重要的等离子体材料,得到了研究者们极大的关注。 本文基于高掺杂半导体材料在中红外波段可以激发表面等离激元的特性,将其同二类超晶格红外探测器相结合,利用仿真软件对表面等离激元分别在吸收器以及探测器增强吸收方面的作用展开了研究,主要包括: 1.利用高掺杂半导体材料在中远红外波段的金属性,给出了中红外全半导体双通道近完美吸收器的理论设计。在传统的MIM三明治结构中,用掺杂半导体材料取代金属,分别利用等离子体共振以及电磁振子相互耦合捕获光子的共振原理,在λ1≈8μm和λ2≈12μm处实现了近完美吸收,其吸收率分别为97%和99.9%。之后又通过引入表面复合光栅的方式实现了从λ1≈8μm到λ2≈12μm的宽带吸收,吸收率在80%以上。基于同样的原理,我们用对称性更高的高掺杂半导体圆盘二维周期结构取代表面光栅,实现了全半导体非偏振长波红外宽带吸收器。在红外波段λ1≈8.8μm到λ2≈13.7μm的范围内,实现了80%以上的吸收。相比于传统的利用金属微结构实现宽带吸收的设计,本文提出的全半导体双通道/宽带吸收区与其他的半导体技术兼容可以通过一次外延生长实现,而且不需要衬底去除工艺,降低了实验难度。 2.我们首次提出了利用金属光栅、二类超晶格以及高掺杂半导体界面构建光学混合腔实现超薄探测器,将传统T2SL探测器吸收区的厚度降低了一个数量级。基于传统的三层平板结构,通过引入高掺杂半导体基板以及表面金属光栅的方式,完美抑制反射,并实现了埘入射光的强局域,在五十分之一入射波长厚度(180nm)的中间吸收层内实现了约50%的光吸收。场增强型超薄长波红外探测器具有优秀的偏振选择性以及入射角度响应,偏振选择吸收比高达200,在60°入射角度内吸收率下降低于10%。此外通过调节SLS吸收层的厚度以及高掺杂半导体基板的掺杂浓度,还可以实现探测器吸收峰在长波红外波段移动。 3.针对1μm左右SLS吸收层厚度的nBn型长波红外探测器,给出了两种实现探测器吸收峰红外调控的方法:其一是在结构表面引入金属光栅,即通过在三层平板结构第一界面处引入额外的相位,实现对探测器吸收峰位置进行调控的目的。其二是在探测器结构上方进行Ge沉积,利用改变中间混合腔厚度的方式实现对探测器吸收峰位置的调控。此外Ge沉积亚波长nBn型红外探测器利用0.8μm的吸收区将吸收层吸收率从50%提升到80%。最后我们提出了一种针对臭氧层吸收的双通道长波红外探测器设计,通过界面相位调节以及腔厚度调节,分别在λ1≈8.5μm以及λ2≈10.9μm处,实现完美吸收,所对应的SLS吸收率分别为64%以及66%。