金属微孔阵列增强AlGaN基量子阱红外探测器光耦合研究

熊　辉，桂　堤，许四平，叶苍竹，吴远策，官守军，师岩峰

(1湖北理工学院 数理学院,湖北 黄石 435003；2华中科技大学 物理学院，

湖北 武汉 430074；3黄石晨信光电股份有限公司，湖北 大冶 435100)



金属微孔阵列增强AlGaN基量子阱红外探测器光耦合研究

熊辉1,2,3，桂堤2，许四平1，叶苍竹3，吴远策3，官守军3，师岩峰3

(1湖北理工学院 数理学院,湖北 黄石 435003；2华中科技大学 物理学院，

湖北 武汉 430074；3黄石晨信光电股份有限公司，湖北 大冶 435100)

摘要：研究了表面等离子体的激发和传输物理机制，将金属二维孔阵列激发的表面等离子体近场光增强效应引入AlGaN基量子阱红外探测器设计中，利用时域有限差分(FDTD)方法对器件在垂直入射光照射下内部电场分布进行了仿真计算，分析了金属微孔结构参数对探测器吸收波长和强度的影响。结果表明：当金属微孔阵列层厚为100 nm、阵列周期为1.5 μm、方孔边长为700 nm时，对探测器性能的提高最为显著。

关键词：表面等离子体；AlGaN量子阱；红外探测器

随着半导体外延技术的提高，量子阱红外探测器在过去10年得到了快速的发展，现已经逐渐成为红外热像仪、红外温度测试仪和红外热分析仪的核心部件。由于具有大的导带偏移超快的载流子弛豫时间等特点，AlGaN/GaN多量子阱结构的子带间跃迁(ISBT)在光探测器、电光调制器和光开关等方面有很好的应用前景。特别是该量子阱结构和高Al组分AlGaN可以单片外延生长, 能够实现双波段(3~5 μm红外大气窗口波段和280 nm紫外日盲波段)光电探测的单芯片集成,是当前III~V族氮化物宽禁带半导体的研究热点之一[1-2]。但是，量子阱探测器由于入射光电矢量只有平行于生长方向的部分对光电流信号有贡献，光能量利用率低，导致量子阱红外探测器器件量子效率普遍低于20%[3]。

自从Ebbesen等人发现光通过周期性的金属纳米孔阵列的超传输现象[4]，金属表面等离子体的特性吸引了大量科学家的研究兴趣，并已应用到许多领域[5]。在光电子行业，表面等离子体被用来提高光电子器件效率，如太阳能电池[6]、光发射器[7]、半导体激光器[8]和光电探测器[9]。近几年，金属周期性微孔阵列已经被应用到量子点红外探测器，实验表明其可以提高探测器的效率[10-11]。但是，据笔者所知，目前还没有通过表面等离子体提高AlGaN基量子阱红外光探测器(QWIP)性能的系统研究。对于中、长波段的红外波长，大多数QWIP器件在使用过程中，表面等离子体的穿透深度在金属中会大大减少，但在距离金属表面的近场范围内却有很强的局域电磁场存在，这一特点与量子阱材料对入射光的方向选择特性相符。因此，将表面等离子体增强表面电场强度的结构引入量子阱红外探测的光耦合方式，将大大提高其光吸收效率及光电流强度，同时表面等离子体光栅结构还具有滤波的作用，可以降低器件噪声，缩短探测带宽，从而改善量子阱红外探测器的器件性能。为了研究金属微孔阵列对AlGaN基量子阱红表面等离子体增强效应的影响，本研究将通过时域有限差分(Finite Difference- Time Domain，FDTD)方法对模型进行仿真计算，获得金属层表面等离子体增强探测器入射红外光效率的方法。

1FDTD仿真原理与模型

在多种可用的数值方法中，时域有限差分法(FDTD)是一种新近发展起来的可选方法。1966年，K.S.Yee首次提出电磁场数值计算的FDTD。经历了20年的发展FDTD法才逐渐走向成熟。上世纪80年代后期以来FDTD法进入了一个新的发展阶段，即由成熟转为被广泛接受和应用的阶段。FDTD法是解决复杂问题的有效方法之一，是一种直接基于时域电磁场微分方程的数值算法，它直接在时域将Maxwell旋度方程用二阶精度的中心差分近似，从而将时域微分方程的求解转换为差分方程的迭代求解[12]。

在FDTD中，时间增量△t和空间增量△x、△y、△z之间不是相互独立的，它们的取值必须满足一定的关系，以避免数值结果的不稳定，表现为：随着时间步数的增加，计算结果发散。造成解不稳定的因素主要有如下3种。

1)误差因素:计算机在计算过程中，原始数据可能有误差，如系数阵列建立过程中产生的误差，而每次运算由于只能保留有限位数而又产生误差，误差的积累有可能淹没真正解，使计算结果不可靠，即不稳定。

2)计算方法不合适。

3)△t、h离散间隔不当等。为了确定数值解稳定的条件，有许多推导方式，结论相同[13]。

(1)

(2)

在非均匀区域，v取最大值；真空中v=c(光速)。

若是正方体Yee元胞，δ=△x=△y=△z，那么：

(3)

若是正方形Yee元胞(二维)，δ=△x=△y，那么：

(4)

若是线段等分Yee元胞(一维)，那么：

(5)

当波传播的速度是频率的函数，即速度与频率有关时，称其波为色散波。用差分法计算时，会在计算网格中引起模拟波模的色散，即在时域有限差分网格中，数值波模的传播速度随频率变化，即速度随数值波模在网格中的传播方向以及离散化情况的不同而改变。这种色散将导致非物理因素引起的脉冲波形畸变，人为的各向异性及虚假折射现象，都会给计算带来误差，因此要尽量减小数值色散[14]。

为了减小数值色散，除了满足式(4)外，可取比式(3)更高的要求：

(6)

并令电磁波沿网格的对角线方向传播，这时有kx=ky=kz=k,可以得到理想的色散关系。

本研究采用三维FDTD法仿真光场的分布。模拟的结构具有周期性，只取原胞(一个结构周期)作为模拟对象，原胞四周采用周期边界条件，原胞的上下界面采用Mur吸收边界条件，用总场和散射技术在计算空间加入光源。仿真中所用光源为垂直入射的线偏振平面光波。AlGaN基量子阱红外光探测器接收端面仿真结构如图1所示。

在本研究中，用Au作为金属层。孔阵列采用方形阵列，方形孔的对称性强，透射率对入射光偏振态的依赖小。金属层微孔阵列模型结构的俯视尺寸如图2所示。

2仿真实验与分析

2.1金属微孔层对3~5 μm中红外光的增透作用

在不同入射波长下，对金属层下的Ez值进行计算，得到|Ez|2的大小随波长的变化情况如图3(a)所示。仿真结构中，金属层厚度为100 nm，孔阵列是周期为1.5 μm的方形阵列，方形孔边长为700 nm。|Ez|2是AlGaN介质层中各个位置对时间求平均值的结果，由于量子阱红外探测器(QWIPs)只对外延生长方向的电场分量敏感，因此，该指标反映了能被探测器吸收的光子数。

为了验证金属层表面等离子体对红外入射光的增强效果，现将金属层换成具有同样孔阵列的Si3N4(相对介电常数取ε=7)钝化层，其他参数不变，金属层更换为Si3N4钝化层后|Ez|2的大小随波长的变化情况如图3(b)所示。

由图3可以看出，对于某些特定波长的中红外光，金属孔阵列的透射增强效果是明显的，如对于4.9 μm附近的入射光波，采用金属孔阵列时AlGaN介质层中|Ez|2的平均值是采用Si3N4钝化层微孔阵列时的200多倍。从上述结果来看，金属并非是入射光传播路径上的几何对象，它本身是活跃的因素，特定波长的光波能与金属表面等离子体耦合，变为表面等离子波，并且金属层空气孔内的局域共振使得金属2个表面的表面等离子波能进行能量的交换。

2.2金属层厚度对3～5 μm中红外光透射的影响

Ebbesen在总结实验观测现象后指出：随着金属厚度的增加，透射谱的长波峰强度近乎线性减小[4]。为进一步研究金属层厚度对增强红外吸收效果的影响，现将金属层厚度增加到200 nm和300 nm，其他参数不变,仿真结果如图4所示。

由图4(a)、(b)可见，金属层厚度每增加100 nm，AlGaN介质层中的平均值下降一半，即入射光透射率随金属层厚度的增加而呈指数式衰减,因此，金属层厚度设为100 nm较为合理。

2.3金属孔阵列的周期对3～5 μm中红外光透射的影响

金属孔阵列的物理尺寸是影响金属表面等离子体与入射光相互作用的关键因素。为了确定金属孔阵列周期对入射光透射的影响，特别设计了几种不同的周期结构长度作为模型进行模拟仿真。金属孔阵列周期分别为1.3 μm、1.4 μm、1.5 μm、1.6 μm时，介质层中的平均值随波长的变化情况如图5所示。

由图5可见，随着金属微孔阵列周期由1.3μm逐步增大到1.6μm，介质层中|Ez|2平均值的长波峰位置依次在4.2 μm、4.6 μm、4.9 μm之间变化，并最终超过5 μm,即金属微孔阵列周期长度与增强入射光的波长成正比，但是对透射光强度的影响不大。

具体分析如下：当满足如下波矢匹配条件时[4]，入射光能够有效地和金属表面等离子体耦合而成为表面等离子体波：

ksp=kx±nGx±mGy

(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栅(孔阵列)平面的分量；Gx和Gy是方形阵列的光栅动量波矢;a0为阵列周期；ksp是表面等离子体波的波矢。当光波正入射时，kx为0，ksp由阵列周期a0决定。ksp决定了激励的等离子波的模式，而只有特定波长的光才能激励这种模式的等离子波，因此阵列周期是影响光透射峰位置的主要因素。

3结论

本研究在理论数值模拟的基础上，讨论了金属微孔阵列对AlGaN基量子阱红表面等离子体增强效应的影响，具体研究了金属微孔阵列厚度、阵列周期等结构参数对透射峰值位置和光强的影响。由于采用MOCVD技术外延生长的AlGaN/GaN量子阱子带间吸收峰的位置处于4.5~5 μm之间，建议采用的金属微孔阵列层厚为100 nm，阵列周期为1.5 μm，方孔边长为700 nm。应用金属表面等离子体技术可以使AlGaN/GaN量子阱红外光探测器获得更强的入射光透射性能，具有重要的研究价值和广阔的未来应用前景。

参 考 文 献

[1]G Chen,Z L Li,X Q Wang,et al.Effect of polarization on intersubband transition in AlGaN/GaN multiple quantum wells[J].Appl.Phys.Lett.,2013,102(19):192109-192113.

[2]G Pozina,C Hemmingsson,H Amano,et al.Surface potential effect on excitons in AlGaN/GaN quantum well structures[J].Appl.Phys.Lett.,2013,102(102):082110-082113.

[3]B F Levine.Quantum-well infrared photodetectors[J].J.Appl. Phys.,1993,74(8):R1-R81.

[4]T W Ebbesen,H J Lezec,H F Ghaemi,et al.Extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays[J].Nature,1998,391(6668):667-669.

[5]C Genet,T W Ebbesen.Light in tiny holes[J].Nature,2007,445(7123):39-46.

[6]S Pillai,K R Catchpole,T Trupke,et al.Surface plasmon enhanced silicon[J].J.Appl.Phys.,2007,101(9):093105-093112.

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[10]S C Lee,S Krishna,S R J Brueck.Quantum dot infrared photodetector enhanced by surface plasma wave excitation[J].Opt.Express,2009,17(25):23160-23167.

[11]C Y Chang,H Y Chang,C Y Chen,et al.Wavelength selective quantum dot infrared photodetector with periodic metal hole arrays[J].Appl.Phys.Lett.,2007,91(16):163107-163109.

[12]J P Berenger.A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic wave[J].Jouynal of Computational Physics,1994,114(2):185-200.

[13]Gang Liu,S D Gedney.Perfectly matched layer media for an unconditionally stable three-dimensional ADI-FDTD method[J].Microwave and Guided Wave Letters IEEE,2000,10(7):261-263.

[14]Hanawa T,Kurosawa M,Ikuno S.Investigation on 3-d implicit FDTD method for parallel-processing[J].Magnetics IEEE Transactions on,2005,41(5):1696-1699.

(责任编辑黄小荣)

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

中图分类号：O434.3

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)01-0041-05

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.01.010

作者简介：熊辉，讲师，博士，研究方向：光电子技术及发光材料。

基金项目：湖北省教育厅科研指导性项目(项目编号：B2014039)；湖北理工学院引进人才项目(项目编号：14xjz03R)；湖北理工学院青年项目(项目编号：15xjz04Q)；湖北理工学院校级科研重点项目(项目编号：13xjz08A)。

收稿日期：2015-11-01