適用于高光譜成像的波段選擇性增強(qiáng)量子阱紅外焦平面的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高光譜成像應(yīng)用中對量子阱紅外探測器的響應(yīng)率進(jìn)行波段選擇性增 強(qiáng)的紅外焦平面探測器，具體是指等離激元微腔光耦合增強(qiáng)響應(yīng)率的高光譜成像量子阱紅 外焦平面器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜分析，尤其是紅外光譜分析，能夠反映被測物體的原子和分子振動的信息，揭 示其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等指標(biāo)，因此成為自然科學(xué)研究中的一種重要手段。光譜成像技 術(shù)是一種新興的光電成像探測技術(shù)，在探測目標(biāo)物體光學(xué)強(qiáng)度分布的同時也探測該物體相 應(yīng)的光譜分布，在某種程度上類似于彩色數(shù)碼照相機(jī)上的紅、綠、藍(lán)三色探測，只是光譜的 波段劃分要精細(xì)得多。光譜成像既有圖像分辨能力，又有光譜分辨能力，能夠同時快速測量 和分析物體的形狀和光譜構(gòu)成，實現(xiàn)對物體的定位和結(jié)構(gòu)及成分分析，在目標(biāo)識別、遙感探 測以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 按照光譜的波段分辨能力，即波段寬度除以中心波長，表示為A A/A，光譜成像 技術(shù)能夠劃分為多光譜、高光譜和超光譜等不同的成像層次。通常人們將A X/A~0.1 的量級稱為多光譜，A X/A~〇.〇1量級稱為高光譜，而A X/A~0.001量級稱為超光 譜，具體通過光柵分光或者是窄帶濾光片來實現(xiàn)。從多光譜到高光譜、超光譜，波段的劃分 越來越細(xì)，成像的光譜分辨率也越來越高。但隨之而來的問題是波段的窄化造成單一波段 通道中能夠到達(dá)探測器的光子數(shù)越來越少，使得探測器的響應(yīng)也相應(yīng)地被削弱。為了實現(xiàn) 高光譜分辨下的高靈敏探測，必須要求相應(yīng)探測器具有更高的探測能力，能夠?qū)崿F(xiàn)在入射 光子數(shù)減少的情況下也具有足夠的響應(yīng)能力。
[0004] 在紅外波段，目前廣泛使用的高靈敏度探測器主要有碲鎘汞（HgCdTe，MCT)探測 器和AlGaAs/GaAs量子阱探測器（QWIP)。QWIP器件由于在材料制備和器件工藝方面成熟 穩(wěn)定，具有大面積均勻性、成品率高、材料和器件關(guān)鍵參數(shù)可控性好等優(yōu)點，特別適合于制 備長波8-12 ym、甚長波12-16 ixm波段的焦平面探測器。然而，QWIP的工作機(jī)理來自于量 子阱子帶間躍迀，其本征的子帶能級的低態(tài)密度造成對光的吸收較弱，入射到光敏元的光 子大部分不能被吸收，而是逃逸出光敏元。此外，由于子帶間躍迀的量子力學(xué)選擇定則，量 子阱材料對垂直入射的光子不能吸收，目前QWIP焦平面器件主要通過介質(zhì)光柵耦合結(jié)構(gòu) 改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较騺韺崿F(xiàn)子帶間躍迀的波矢匹配。由于介質(zhì)光柵對光耦合不能表現(xiàn)共 振特征，因此光耦合效率較低。為了提高QWIP器件對入射光的耦合效率，本發(fā)明人曾經(jīng)設(shè) 計了一種亞波長等離激元微腔耦合結(jié)構(gòu)，利用其陷光效應(yīng)和法布里-珀羅（F-P)共振效應(yīng) 能夠?qū)崿F(xiàn)QWIP器件響應(yīng)率160倍的提升。相關(guān)的專利申請?zhí)枮椋?01410546873. 2,專利名 稱：提升光電探測器光響應(yīng)的亞波長等離激元微腔光耦合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的基本特征是由底 層完整金屬和頂層周期性排列的金屬條塊夾持中間的量子阱激活層構(gòu)成，其間距在上、下 金屬表面近場倏逝波的范圍之內(nèi)，因此上、下層金屬發(fā)生耦合，形成光場沿縱向均勻分布的 模式。而在橫向上，單個金屬條塊的邊界形成阻抗失配的界面反射層，光場兩個界面之間形 成F-P共振的駐波，使入射光子陷落在該微腔中形成局域光場的集聚，并通過駐波的來回 傳播增大了在量子阱中的有效光程，因此從增加有效光強(qiáng)和延長吸收長度兩個方面提升了 量子阱的光吸收，使得光電響應(yīng)率得到大幅提升。
[0005] 在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，能夠通過改變上層金屬條塊的線寬調(diào)節(jié)該微 腔耦合結(jié)構(gòu)的共振波長。特別是，將不同共振波長的微腔耦合結(jié)構(gòu)制作在同一焦平面芯片 的不同像元上，則形成不同波段的選擇性共振，得到選擇性增強(qiáng)的單個像元或者是像元列。 將其與高光譜成像裝置中的分光器件相對應(yīng)，即能夠?qū)崿F(xiàn)在確保高光譜的光譜分辨能力的 前提下進(jìn)行高靈敏度探測。由于整個焦平面像元陣列中所采用的光電轉(zhuǎn)換激活材料是相同 的，具有同一個本征的光吸收特性。而本發(fā)明所涉及的波段選擇性響應(yīng)增強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)具有 幾何尺寸決定的共振波長選擇性，能夠被設(shè)計成共振波長在不同像元上順序逐漸變化的結(jié) 構(gòu)。其結(jié)果是在同一個本征的光吸收特性上疊加一個共振增強(qiáng)的模式特性，并且按照高光 譜劃分的波段對共振波長進(jìn)行調(diào)諧。入射光在經(jīng)過高光譜分光元件之后，盡管到達(dá)探測器 像元的總光子數(shù)由于分光而受到限制，但由于探測像元的光響應(yīng)被有針對性地提高，依然 能夠?qū)崿F(xiàn)在確保高光譜分辨率下的高靈敏度光譜成像探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提出一種適用于高光譜成像應(yīng)用的波段選擇性增強(qiáng)響應(yīng)率的量 子阱紅外探測器（QWIP)焦平面器件，解決目前高光譜成像探測焦平面中由于分光之后到 達(dá)探測器像元的總光子數(shù)減小而形成的像元響應(yīng)較弱的問題。所述等離激元微腔結(jié)構(gòu)能夠 將入射光陷落在微腔中形成光場的集聚和駐波共振，并且能夠通過調(diào)節(jié)上層金屬條塊的線 寬來調(diào)諧共振波長，進(jìn)而達(dá)到針對分光波段的響應(yīng)增強(qiáng)，與高光譜分光波段相匹配，最終提 高高光譜成像儀的整體性能。
[0007] 本發(fā)明采用的等離激元微腔進(jìn)行光耦合的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為以入射光經(jīng)過先后為序 依次是：上層金屬陣列層1，QWIP焦平面像元2,下層金屬反射層3。
[0008] 所述的金屬陣列層1為周期為p、線寬為s、厚度為hi的金屬陣列。其維度包括一 維和二維陣列，其材質(zhì)包括但不限于高導(dǎo)電性的金或者銀。為了改善其黏附性，可在其與焦 平面像元2之間附加一層厚度為0~30納米的黏性金屬，其材質(zhì)包括但不限于鈦。其周期 P、線寬s和厚度hi的數(shù)值由理論計算得到的優(yōu)化結(jié)果決定，優(yōu)化計算的目標(biāo)是使入射光波 能夠與金屬中電子集體振蕩形成的等離激元的局域表面模式發(fā)生共振耦合，在共振模式的 誘導(dǎo)下進(jìn)入耦合微腔中，形成橫向的駐波腔模模式。
[0009] 所述的QWIP焦平面像元2為QWIP焦平面通用像元，像元所含功能層自上到下依 次為n型摻雜AlGaAs阻擋層、n型摻雜上電極層、GaAs/AlGaAs量子講激活層、n型摻雜下 電極層。其厚度h2由理論計算得到的優(yōu)化結(jié)果決定，優(yōu)化計算的目標(biāo)是使耦合進(jìn)入微腔結(jié) 構(gòu)中的電磁波所形成的橫向駐波模式達(dá)到最強(qiáng)。按照等離激元微腔近場耦合要求，h2必須 小于所探測入射光的等效光波長，即真空中的光波長除以該層物質(zhì)的折射率。對于折射率 的最小取值為3時，h2應(yīng)不大于在介質(zhì)中的探測波長三分之一。
[0010] 所述的下層金屬反射層3是指一層覆蓋在像元臺面底部的金屬層，其厚度h3不小 于以微米為單位的探測波長的平方根的〇. 0048倍，其寬度L應(yīng)盡量覆蓋全部的像元臺面 從而盡可能多地與金屬方塊形成等離激元微腔，該層材質(zhì)包括但不限于高導(dǎo)電性的金或者 銀。為了改善其黏附性，可在其與焦平面像元2之間附加一層厚度為O~30納米的黏性金 屬，其材質(zhì)包括但不限于鈦。
[0011] 所述的波段選擇性增強(qiáng)是指焦平面芯片上的每個像元或者每行/列像元上的金 屬陣列層（1)具有不同線寬S，其尺寸對應(yīng)的共振波段包含高光譜分光的中心波長。不同的 線寬S對應(yīng)了不同的共振中心波長，可以順序排列，也可以隨機(jī)分布。
[0012] 本發(fā)明基于的工作原理是：針對特定的光電探測波長所設(shè)計的一維或二維金屬條 塊陣列，使得金屬條塊中電子的集體振蕩所形成的等離激元能夠與入射光發(fā)生共振耦合。 上層金屬條塊與下層金屬反射層共同作用，對光場的分布形成了新的調(diào)制，使得耦合進(jìn)入 微腔中的光波沿量子阱平面?zhèn)鞑?，并形成駐波形式的腔模，導(dǎo)致光場被限制在微腔之中，阻 止了光子的逃逸，極大地提高了入射光子的利用率。例如：針對結(jié)構(gòu)參數(shù)取金屬線寬S為 5. 9微米、對應(yīng)的共振波長為14. 4微米的有限元方法計算表明，等離激元微腔光耦合結(jié)構(gòu) 中能夠被量子阱吸收產(chǎn)生光電流的具有z分量電場的光子將被局域在金屬方塊區(qū)域，在入 射光電場取為單位值1時，微腔中z分量電場平方的數(shù)值最高能夠達(dá)到76. 4,反映出光場的 高度集聚與增強(qiáng)。
[0013] 耦合腔模的共振波長由以下方程決定：
[0015] 其中A K為共振波長，n rff為介質(zhì)QWIP的等效折射率，s為金屬條塊的線寬，K為 共振模式階數(shù)。腔模的傳播方向由自由空間中的垂直于探測器平面的z方向轉(zhuǎn)變成為沿著 探測器平面方向傳播，并由QWIP像元中的激活層吸收之后轉(zhuǎn)變成為光電流。從腔模共振公 式上看，在選定的共振級數(shù)K和微腔波導(dǎo)介質(zhì)等效折射率IW f的情況下，該腔模共振波長正 比于金屬條塊線寬s，改變上層金屬線寬就能夠調(diào)控腔模共振波長。通過設(shè)計一系列具有不 同線寬s的焦平面像元，各像元的共振波長將形成系列變化，即所增強(qiáng)的波段形成系列變 化。將其設(shè)計成與成像光譜技術(shù)中的分光波段相匹配，則在各個相應(yīng)的分光波段，探測器像 元的光譜響應(yīng)都將得到一個理想的提升，進(jìn)而提升成像光譜儀的整體性能。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0017] 1將等離激元微腔集成到QWIP焦平面像元中，利用上層金屬陣列與下層金屬反 射層之間的等離激元共振，使入射光子被微腔捕獲，陷落在微腔中形成局域光場的增強(qiáng)，并 且不斷被量子阱吸收從而形成光電流，最終導(dǎo)致紅外焦平面探測像元的響應(yīng)率得到極大地 提升。在本發(fā)明的實施例中，能夠?qū)崿F(xiàn)在同一芯片上峰值波長在13. 0-15. 2微米范圍內(nèi)相 比于標(biāo)準(zhǔn)45度磨角耦合方式的響應(yīng)率提高5. 3~12. 3倍。
[0018] 2等離激元微腔耦合結(jié)構(gòu)腔模共振波長可通過改變金屬線寬來實現(xiàn)，通過將一系 列不同金屬線寬的等離激元微腔集成到不同的焦平面像元上，使其對應(yīng)于不同波段的響應(yīng) 率增強(qiáng)。在本發(fā)明的實施例中，能夠?qū)我槐菊魑辗逯挡ㄩL在13. 6微米的