專利名稱:判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域,尤其是無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型 光電探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域,提供了一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方 法。本發(fā)明可應(yīng)用于無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的實(shí)際探測(cè)技術(shù)中。
背景技術(shù):
二十一世紀(jì)是信息高技術(shù)世紀(jì),信息時(shí)代的特征是信息量大爆炸,信息傳遞非 ??旖荩畔⑻幚硎盅杆?,其量化的標(biāo)志為3T 光通信速率> lTbit/s ;計(jì)算機(jī)速度> lTbit/s ;光盤存儲(chǔ)密度> lTbit/inch2。要實(shí)現(xiàn)3T,需要依賴于從上個(gè)世紀(jì)開始的本世紀(jì) 將進(jìn)一步得到發(fā)展的光電子技術(shù)。光子是物質(zhì)存在和運(yùn)動(dòng)的基本形態(tài)之一,運(yùn)用光子作為 信息和能量的載體,將把新世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)推向一個(gè)更加光輝燦爛的未來。光電子器件尤 其是半導(dǎo)體光電子器件及其集成在高速率、大容量信息應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作 用,它是光信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而信息光子學(xué)的發(fā)展又對(duì)光電子器件不斷提出新的要求, 促使它往縱深層次更快發(fā)展。它要求材料更多樣化,波長(zhǎng)覆蓋更寬,譜線更精細(xì),器件功率 更高,可列陣集成化,應(yīng)用更廣泛。諧振腔增強(qiáng)型光子器件是一類具有開拓創(chuàng)新意義及有很好應(yīng)用前景的新型光電 器件。它們的典型結(jié)構(gòu)是將有源區(qū)放置在一個(gè)用分子束外延制備出的垂直諧振腔內(nèi),利用 諧振腔的高品質(zhì)因子改善光電器件性能。諧振腔增強(qiáng)型光子器件具有易于制備二維列陣, 實(shí)現(xiàn)集發(fā)射接收一體化以及高密度光電集成的優(yōu)點(diǎn),因此近年來備受關(guān)注,研究進(jìn)展十分 迅速,正成功邁向?qū)嵱没A段。目前諧振腔增強(qiáng)型器件以垂直腔表面發(fā)射激光器、諧振腔增 強(qiáng)型表面發(fā)光二極管、光探測(cè)器和光調(diào)制器等幾種器件的研究為主。諧振腔增強(qiáng)型光電探 測(cè)器特有的波長(zhǎng)選擇性、高量子效率和高響應(yīng)速度兼容的優(yōu)點(diǎn),成為波長(zhǎng)選擇應(yīng)用中接收 器件的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。引入諧振腔的光調(diào)制器在改善消光比、降低工作電壓、減小功耗等方 面體現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)。諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的概念是AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的Chin等人1990年提出 的,英文是 Resonant-Cavity-Enhanced Photodetector (簡(jiǎn)稱 RCE PD),其結(jié)構(gòu)是在分布布 喇格反射鏡Distributed Bragg Reflector (簡(jiǎn)稱DBR)構(gòu)成的諧振腔中插入一薄層半導(dǎo)體 吸收層,入射光在F-P腔的作用下來回通過吸收層,發(fā)生共振增強(qiáng)吸收現(xiàn)象。諧振腔增強(qiáng)型 光電探測(cè)器已經(jīng)成為一類非常具有實(shí)用價(jià)值的高性能光電探測(cè)器,它具有以下主要特點(diǎn)1、波長(zhǎng)選擇性好;2、量子效率高;3、響應(yīng)速度快;4、低功耗低噪聲。隨著薄層外延生長(zhǎng)技術(shù)不斷發(fā)展,RCE探測(cè)器的研制在工藝技術(shù)方面得到保證,特 別是晶格匹配材料(如III-V族半導(dǎo)體)制作的器件日趨成熟,已經(jīng)研制成功各種類型的 RCE探測(cè)器。
量子點(diǎn)由于其載流子在三維方向上全部受到限制,不受吸收選擇定則的約束,可 以吸收垂直入射光,免除了 η型量子阱紅外探測(cè)器所必需的45度角或者布魯斯特角入射, 或者使用光柵耦合才能吸收的限制,大大減小了工藝難度,降低了成本,在實(shí)際制作和生產(chǎn) 中具有很大的優(yōu)勢(shì)。以量子點(diǎn)為有源區(qū)的共振增強(qiáng)型探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)一方面,因?yàn)橹C 振腔對(duì)所探測(cè)輻射的共振增強(qiáng)作用和對(duì)其他輻射頻率的抑制作用,將使探測(cè)器的信噪比得 到很大的提高,能獲得很高的探測(cè)靈敏度;另一方面,由于InGaAs/GaAs自組織量子點(diǎn)躍遷 振子強(qiáng)度大,有源區(qū)可以做得比較薄,調(diào)制速度快。另外,由于量子點(diǎn)的強(qiáng)量子限制效應(yīng),探 測(cè)器的溫度依賴性低,特別適合在復(fù)雜多變的環(huán)境下使用。傳統(tǒng)的探測(cè)器包括雪崩光電二極管(APD),P-I-N光電二極管(P-I-NPD),異質(zhì)結(jié) 光電晶體管(HTP)和金屬_半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電二極管等,由于受到表面反射層和有源 層吸收的限制,若要提高這些探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率,需要增加有源層的厚度和外加防反 射層。但是,較厚的有源層會(huì)加大損耗導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。另一方面,這類光探測(cè)器的探測(cè) 到的頻譜范圍較寬,不能針對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行單頻檢測(cè),無法滿足某些重要的國(guó)防、 軍事應(yīng)用上的需要,如對(duì)巡航導(dǎo)彈光電導(dǎo)引頭的1064nm輻射的探測(cè)。90年代初期,共振腔 增強(qiáng)(RCE)光探測(cè)器的出現(xiàn)有效地克服了上述器件的缺點(diǎn)。從應(yīng)用角度來說,希望光探測(cè) 器在制備完畢后,能通過用外調(diào)諧的方式將平面微腔增強(qiáng)型光探測(cè)器的共振探測(cè)波長(zhǎng)精確 調(diào)諧到所需要探測(cè)的波長(zhǎng)上,同時(shí)共振波長(zhǎng)仍落在有源層的高吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi),獲得最大 的探測(cè)信號(hào)。采用多量子阱作為有源層的平面微腔增強(qiáng)型光探測(cè)器只有當(dāng)腔膜高于量子阱 發(fā)光峰時(shí),才能用改變角度來調(diào)諧探測(cè)頻率。采用以量子點(diǎn)作為吸收介質(zhì)的平面微腔增強(qiáng) 型結(jié)構(gòu)的探測(cè)器,由于量子點(diǎn)集合體有很寬的發(fā)光峰,調(diào)諧更為方便,而且可望獲得高的光 電轉(zhuǎn)換效率和調(diào)制響應(yīng)速度。要使RCE-PD工作在最佳狀態(tài)的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地將腔模、量子點(diǎn)發(fā)光峰和平面微 腔高反帶中心的波長(zhǎng)位置對(duì)準(zhǔn)。這樣才能觀察到量子點(diǎn)激子與腔模的強(qiáng)耦合模式一激子 極化激元的Rabi分裂。但是,獲得具有高光電響應(yīng)率RCE-PD的條件并不與觀察量子點(diǎn)激子 與腔模的強(qiáng)耦合模式一激子極化激元的條件完全一樣。除了要滿足上面所述的將腔模、 量子點(diǎn)發(fā)光峰和平面微腔高反帶中心的波長(zhǎng)位置對(duì)準(zhǔn)外,還要考慮如何增大對(duì)入射光的吸 收,提高汲取光生載流子的效率和滿足最大響應(yīng)度的匹配條件。我們通過不同結(jié)構(gòu)探測(cè)器的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用更多組的下DBR、減少上DBR組 數(shù)、增加量子點(diǎn)有源層的厚度和組數(shù)均有利于提高RCE-PD的探測(cè)效率。在RCE型探測(cè)器中 采取多組下DBR而不用上DBR的做法在土耳其Bilkent大學(xué)Ekmei Ozbay等人的實(shí)驗(yàn)工作 中采用過。他們研制的是波長(zhǎng)為SOOnm的PIN型RCE探測(cè)器,采取了 24組下DBR和0組上 DBR,并獲得了大于90%的量子效率。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和理論模擬反射譜,在826nm處有一 個(gè)模式,其線寬比較寬,反射譜也沒有形成很平整的高反帶。這種在諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器的 設(shè)計(jì)中,采用多組的下DBR和0組上DBR的做法在各國(guó)不同的研究小組出現(xiàn)過。但是,這種設(shè)計(jì)存在的問題是,由于沒有上DBR的限制,探測(cè)器的反射譜往往不能 形成高質(zhì)量的平整的高反帶,在反射譜中呈現(xiàn)的諧振腔模式也比較多,而且腔模的半高寬 也比較大。這本身就給我們選定諧振性能最優(yōu)的腔模帶來一定難度,最大的問題是,由于沒 有上DBR的限制,植于腔體內(nèi)的有源吸收層的強(qiáng)吸收也會(huì)給探測(cè)器的反射譜帶來類似腔模 的漏模。在反射譜中如何排除有源區(qū)吸收造成的漏模的影響,從而尋找到諧振性能最優(yōu)的高質(zhì)量腔模成為無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器技術(shù)的一個(gè)難題。本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)光譜和理論模擬光譜相結(jié)合,發(fā)明了一種判定無上反射鏡諧振腔 增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法,通過這種方法,可以有效地辨別反射譜中的漏模是真 正的諧振腔模式還是來自于有源區(qū)的強(qiáng)吸收,為無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的進(jìn) 一步推廣應(yīng)用帶來很大幫助。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模 的方法,運(yùn)用這種方法,可以有效地辨別反射譜中的漏模是真正的諧振腔模式還是來自于 有源區(qū)的強(qiáng)吸收,從而進(jìn)一步判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的強(qiáng)諧振腔模,為 得到高量子效率的諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器打下很好的基礎(chǔ)。本發(fā)明一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法,包括如下 步驟步驟1 設(shè)計(jì)無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu),包括襯底、緩沖層、下 反射鏡、腔體以及頂部覆蓋層,將設(shè)計(jì)好的探測(cè)器結(jié)構(gòu)交由分子束外延設(shè)備生長(zhǎng),形成探測(cè) 器樣品;步驟2 將設(shè)計(jì)的探測(cè)器樣品生長(zhǎng)好以后,利用光譜儀測(cè)量樣品的反射譜,標(biāo)出反 射譜中高反帶區(qū)域的各個(gè)漏模;步驟3 依據(jù)光學(xué)傳輸矩陣的原理編輯模擬程序,模擬得到與設(shè)計(jì)的無上反射鏡 諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及層厚完全一致的理論模擬反射譜,在模擬過程中通過把 有源區(qū)的光折射率設(shè)定為復(fù)數(shù)折射率來引入有源區(qū)的吸收因素,復(fù)數(shù)折射率的虛部就是有 源區(qū)的吸收系數(shù);步驟4:調(diào)節(jié)模擬程序中反射鏡各層和腔體各層的厚度,使模擬得到的反射譜與 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反射譜保持一致,然后改變模擬程序中吸收層的吸收系數(shù),并觀察模擬反射譜 中各個(gè)漏模的變化,隨著吸收系數(shù)的增大,有源區(qū)吸收造成的漏模會(huì)變得更深更寬,而同時(shí) 源自諧振腔模式的漏模即腔模不會(huì)發(fā)生任何變化,從而判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電 探測(cè)器反射譜中的漏模是來自有源區(qū)吸收還是來自腔模。其中腔體包括依序生長(zhǎng)的下GaAs層、InGaAs量子點(diǎn)、GaAs間隔層和上GaAs層。其中器件結(jié)構(gòu)的襯底、緩沖層、腔體的主體和頂部覆蓋層采用的材料是砷化鎵。其中腔體中的有源層采用的材料是銦鎵砷量子點(diǎn)。其中下反射鏡由30對(duì)交替生長(zhǎng)的砷化鎵層和砷化鋁層組成。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法,快捷有 效。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品的反射譜和編輯程序計(jì)算得到的模擬反射譜互相比較,便可以迅速 判定漏模是來自有源區(qū)吸收還是來自腔模;可以迅速找到真正諧振的有效腔模,實(shí)現(xiàn)光電 探測(cè)器的高量子效率,為諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的進(jìn)一步推廣應(yīng)用創(chuàng)造很好的條件。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容,以下結(jié)合實(shí)施例以及附圖詳細(xì)說明如后,其中圖1為本發(fā)明無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)測(cè)得反射譜(實(shí) 線)和理論模擬反射譜(虛線)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器在不同有源區(qū)吸收系 數(shù)下的理論模擬反射譜。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明步驟1 我們?cè)O(shè)計(jì)的無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。探 測(cè)器結(jié)構(gòu)包括襯底10,緩沖層20,下反射鏡30、腔體40以及頂部覆蓋層50,其中下反射鏡 由30對(duì)的AlAs/GaAs組成,腔體40中的有源區(qū)部分由23組的InGaAs量子點(diǎn)42以及GaAs 間隔層43構(gòu)成,下GaAs層41和上GaAs層44都是構(gòu)成腔體的GaAs體材料。探測(cè)器的中 心工作波長(zhǎng)設(shè)計(jì)在1微米左右,設(shè)計(jì)好的探測(cè)器結(jié)構(gòu)由MBE設(shè)備生長(zhǎng)。其中器件結(jié)構(gòu)的襯底10、緩沖層20、腔體40的主體和頂部覆蓋層50采用的材料 是砷化鎵;腔體40中的InGaAs量子點(diǎn)采用的材料是銦鎵砷;步驟2 探測(cè)器樣品生長(zhǎng)以后,采用法國(guó)JY公司的Super-LabRam顯微拉曼光譜儀 測(cè)量樣品的反射譜,如圖2的實(shí)線所示。從反射譜可以看出,圍繞1微米附近,在921納米、 946納米和1024納米波長(zhǎng)處有漏模,其中921納米和1024納米的漏模相對(duì)銳利,946納米 的漏模相對(duì)較寬。步驟3 依據(jù)光學(xué)傳輸矩陣的原理,利用Compaq Visual Fortran軟件編寫程序來 計(jì)算無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的反射率。為了考慮有源介質(zhì)InGaAs量子點(diǎn)的 吸收,我們?cè)谀M中把InGaAs量子點(diǎn)層看作是具有復(fù)數(shù)折射率的相同厚度的InGaAs層。理 論模擬曲線采取的復(fù)數(shù)折射率為η = 3. 6+0. 2i,其中虛部的0. 2就是有源層的吸收系數(shù)。 得到的模擬反射譜如圖2的虛線所示,我們可以看到理論模擬曲線的漏模位置和線型都與 實(shí)測(cè)反射譜吻合的很好。步驟4 調(diào)節(jié)模擬程序中反射鏡各層和腔體各層的厚度,最大可能地使模擬得到 的反射譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反射譜保持一致。然后,改變模擬程序中吸收層的吸收系數(shù),得到的 一系列反射譜曲線如圖3所示。各曲線從上到下隨著吸收系數(shù)的增大,946納米處的漏模變 得更深更寬,尤其是當(dāng)折射率η = 3. 6,也就是不考慮有源區(qū)吸收的時(shí)候,我們可以看到反 射譜在946納米處根本沒有漏模出現(xiàn),因此我們可以判定946納米處的漏模是由有源區(qū)吸 收造成的。而與此同時(shí),921納米和1024納米處的漏模則完全沒有發(fā)生變化,也就是說921 納米和1024納米對(duì)應(yīng)的漏模跟吸收沒有關(guān)系,因此我們可以判定921納米和1024納米處 的漏模是真正的腔模。由于1024納米處的腔模更深而且更接近我們?cè)O(shè)計(jì)的波長(zhǎng),因此我們 采用1024納米處的腔模作為有效的高諧振性能的腔模。通過以上實(shí)驗(yàn)光譜和模擬光譜的 計(jì)較,我們快速準(zhǔn)確的判斷出了 946納米處的波長(zhǎng)是來自有源區(qū)的吸收,從而將其剔除,并 且通過921納米和1024納米腔模的比較判斷,最終確定了 1024納米處的高諧振性能腔模。通過以上實(shí)施例,我們可以看出本發(fā)明一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探 測(cè)器有效腔模的方法,可以迅速有效地判定出由有源區(qū)吸收造成漏模,從而將其排除。這樣
6為我們最終確定真正諧振的高性能腔模進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高量子效率的諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器 打下非常好的基礎(chǔ)。本發(fā)明實(shí)施方便快捷,將為諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器尤其是無上反射 鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器在各個(gè)領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。
權(quán)利要求
一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法,包括如下步驟步驟1設(shè)計(jì)無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu),包括襯底、緩沖層、下反射鏡、腔體以及頂部覆蓋層,將設(shè)計(jì)好的探測(cè)器結(jié)構(gòu)交由分子束外延設(shè)備生長(zhǎng),形成探測(cè)器樣品;步驟2將設(shè)計(jì)的探測(cè)器樣品生長(zhǎng)好以后,利用光譜儀測(cè)量樣品的反射譜,標(biāo)出反射譜中高反帶區(qū)域的各個(gè)漏模;步驟3依據(jù)光學(xué)傳輸矩陣的原理編輯模擬程序,模擬得到與設(shè)計(jì)的無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及層厚完全一致的理論模擬反射譜,在模擬過程中通過把有源區(qū)的光折射率設(shè)定為復(fù)數(shù)折射率來引入有源區(qū)的吸收因素,復(fù)數(shù)折射率的虛部就是有源區(qū)的吸收系數(shù);步驟4調(diào)節(jié)模擬程序中反射鏡各層和腔體各層的厚度,使模擬得到的反射譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反射譜保持一致,然后改變模擬程序中吸收層的吸收系數(shù),并觀察模擬反射譜中各個(gè)漏模的變化,隨著吸收系數(shù)的增大,有源區(qū)吸收造成的漏模會(huì)變得更深更寬,而同時(shí)源自諧振腔模式的漏模即腔模不會(huì)發(fā)生任何變化,從而判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器反射譜中的漏模是來自有源區(qū)吸收還是來自腔模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法, 其中腔體包括依序生長(zhǎng)的下砷化鎵層、銦鎵砷量子點(diǎn)、砷化鎵間隔層和上砷化鎵層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法, 其中器件結(jié)構(gòu)的襯底、緩沖層、腔體的主體和頂部覆蓋層采用的材料是砷化鎵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法, 其中腔體中的有源層采用的材料是銦鎵砷量子點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法, 其中下反射鏡由30對(duì)交替生長(zhǎng)的砷化鎵層和砷化鋁層組成。全文摘要
一種判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器有效腔模的方法,包括如下步驟設(shè)計(jì)無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu),形成探測(cè)器樣品;將設(shè)計(jì)的探測(cè)器樣品生長(zhǎng)好以后,利用光譜儀測(cè)量樣品的反射譜,標(biāo)出反射譜中高反帶區(qū)域的各個(gè)漏模;依據(jù)光學(xué)傳輸矩陣的原理編輯模擬程序,模擬得到與設(shè)計(jì)的無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及層厚完全一致的理論模擬反射譜;調(diào)節(jié)模擬程序中反射鏡各層和腔體各層的厚度,使模擬得到的反射譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反射譜保持一致,然后改變模擬程序中吸收層的吸收系數(shù),并觀察模擬反射譜中各個(gè)漏模的變化,而同時(shí)源自諧振腔模式的漏模即腔模不會(huì)發(fā)生任何變化,從而判定無上反射鏡諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器反射譜中的漏模是來自有源區(qū)吸收還是來自腔模。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101915657SQ200910091400
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者孫曉明, 章昊, 鄭厚植 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所