平面漏斗形微腔集成的高性能长波红外探测器

兰梦珂，周 靖，陈爱英

（1.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093；2.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海 200083）

对于红外光电器件，如果减小材料尺寸同时保持吸收效率，则可以实现低的暗电流，快的响应速度，高效的载流子收集，从而提高其性能。表面等离激元是存在于金属与介质界面的电磁波和自由电子的集体振荡的耦合激发模式，特点在于电磁场被局限在金属表面很小范围内，突破光学衍射极限，且光场增强数倍至数十倍，因此，等离激元结构可以实现亚波长光约束和局域增强，其中等离激元微腔在所有等离子体结构中，有光耦合效率高，共振易调谐，角度不敏感以及与光电器件结构良好兼容性等明显优点。等离激元微腔结构是由光学天线层、介质间隔层、金属反射面构成，光学天线与金属反射面之间存在等离激元波导模式，并能够在侧向形成类Fabry-Perot 的共振，从而产生局域强场。等离激元微腔结构已经被用来提高GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器（quantum well infrared photodetector，QWIP）的 性能。通过把亚波长小体积的量子阱材料嵌入等离激元微腔（代替介质间隔层），利用等离激元微腔共振产生的局域强场提高量子阱的光吸收，使得具有较低暗电流的小体积探测材料的光吸收率不降反升，从而提高探测率。随着半导体技术的发展，成熟的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料生长技术可以提供非常精确的成分和均匀性控制。因此，以GaAs/AlGaAs量子阱为代表的量子材料凭借能带可设计、稳定性高、均匀性好、与材料加工兼容性好等优点受到广泛关注，也成为红外光电探测器件的重要候选材料。……