一种短波红外探测器单元器件及其制备方法

技术领域

本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种短波红外探测器单元器件及其制备方法。

背景技术

红外探测器在导弹制导、大气监测、夜间侦查等领域具有广泛应用。红外探测器一般是将InAs/GaSb超晶格材料使用分子束外延(molecularbeamepitaxy，MBE)方法生长在较厚的GaSb衬底上，然后衬底被去除，透过衬底红外光被探测器材料的吸收区吸收。目前，新一代的红外探测器正朝着更小尺寸(Size)、更小重量(Weight)、更低功耗(Powerconsumption)、更高性能(Performance)和更低成本(Price)方向发展，即SWaP3指标。

近年来，随着微纳加工技术和微纳光学理论的发展，基于光子晶体等物理机制设计的人工微纳结构表现出的对光场的调控能力引起了人们广泛的兴趣和研究，随之也提出了通过人工微纳结构来增强红外探测器性能的想法。人工微纳结构与光子相互作用激发的局域模式能将入射光局域在亚波长尺度，可改善红外探测器中因为吸收层薄光在材料中传播距离短而导致的量子效率低的普遍问题或提高小光敏面积红外探测器的光收集效率，实现探测器的小型化和集成化，从而降低红外探测器的尺度、重量和功耗。

但是，传统光子晶体由于时间反演对称性，导致外界光源难以激发光子晶体内的局域模式，因此，如何将微纳加工与光子晶体有效结合，以实现光子晶体结构对入射光场的定域化增强，从而增强红外探测器焦平面像元红外信号，仍然是红外探测器向SWaP3指标发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短波红外探测器单元器件及其制备方法，本发明提供的短波红外探测器单元器件实现了对入射光场的定域化增强，进而实现了红外探测焦平面像元红外信号增强。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种短波红外探测器单元器件，包括衬底和设置在衬底表面的外延层，所述外延层的最外层为吸收层9，还包括设置在所述吸收层9表面的多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层，所述多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层为具有通孔结构的第三介质材料层3，所述第三介质材料层3的折射率为n

所述第一通孔1的周期性排布规则为：以任意1个第一通孔1的圆心为第一正六边形的中心，第一正六边形的边长为La，第一正六边形的6个顶点位置分别对应另外6个第一通孔1的圆心；

所述第二通孔2的周期性排布规则为：以1个第一通孔1的圆心为长方形的中心形成1个长方形区域，将第三介质材料层3划分为若干长方形区域，1个长方形区域的长×宽为8La×6.92La，若干长方形区域之间相互不重叠，以长方形区域的中心为第二正六边形的中心，第二正六边形的边长为2La，第二正六边形的6个顶点位置为第二通孔2的圆心。

优选的，所述吸收层9的材质为InAs，所述吸收层的厚度h为0.1μm；所述短波红外探测器单元器件的红外吸收波长为1.55μm。

优选的，所述多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层的厚度H为100nm。

优选的，所述La为0.7～0.9μm。

优选的，n

优选的，所述第一通孔1的直径Da为0.2～0.8μm，Db为0.1～0.8μm。

优选的，n

优选的，n

优选的，n

本发明提供了上述技术方案所述的短波红外探测器单元器件的制备方法，包括以下步骤：

在所述吸收层的表面沉积第三介质材料，形成第三介质材料层3；

在所述第三介质材料层3上按照第一通孔1的周期性排布规则刻蚀第一通孔1，在所述第一通孔1中填充第一介质材料；

在具有第一通孔1的第三介质材料层3的上按照第二通孔2的排布规则刻蚀第二通孔2，在所述第二通孔2中填充第二介质材料，得到所述短波红外探测器单元器件。

本发明在吸收层表面通过第三介质材料形成吸收层的外延层，然后在第三介质材料层中形成蜂窝形态的有序排布的第一通孔结构，在第一通孔结构中填充第一介质材料，通过在第三介质材料中排布蜂窝状第一介质材料形成光子晶体结构阵列层，光子晶体结构中折射率的周期性变化会对入射光场进行周期性调制，使光产生布拉格散射，改变垂直入射光场的传播方向，光子晶体中传播的光在第三介质材料和第一介质材料形成的不同折射率区的界面处的多次反射的相消干涉后，能够使特定波长的电磁场无法传播，将电磁场局域在光子晶体结构中，即光子禁带。本发明利用光子晶体结构中光子禁带内的电磁波无法传输导致光场局域的特点，有效增强了红外探测器对红外光的吸收；另一方面，本发明进一步在光子晶体结构层中引入第二通孔，在第二通孔中填充第二介质材料，通过第二通孔中的第二介质材料在光子晶体结构层中形成拓扑缺陷，包括缺陷带和缺陷模，以破坏光子晶体结构分布的周期性，其中缺陷模(本发明的设计点缺陷)能够使光子晶体结构层的介电常数不连续，从而使入射光在光子晶体结构层中产生反射、散射和衍射，使得入射光在很小的区域中来回振荡，从而将电磁场能量聚集在微米尺度区域的微腔内，而缺陷带(本发明的设计线缺陷)会使之前处于某一禁带范围内的光波开始传播；由此本发明通过缺陷带和缺陷模两种拓扑缺陷间的耦合及泄露模式的干涉(即光子禁带)，实现光子晶体结构对入射光场的定域化增强，进而增强红外探测焦平面像元红外信号。

附图说明

图1为本发明实施例制备的单周期的多耦合拓扑缺陷拓扑光子晶体增强焦平面探测器的纵切面图；

图2为本发明实施例制备的单周期的多耦合拓扑缺陷拓扑光子晶体增强焦平面探测器的横切面图；

图1和图2中，1为第一通孔，2为第二通孔，3为第三介质材料层，9为吸收层；

图3为本发明实施例1制备的光子晶体参数n

图4为光子晶体结构不同几何参数(La、Da和Db)下本征模式的耦合强度；

图5为光子晶体结构不同折射率下本征模式的耦合强度；

图6为n3＝3.47(硅材料)、n2＝2.29(硫化锌材料)、n1＝1.46(二氧硅材料)时，La＝0.8微米时，分别改变Da与Db大小下耦合强度的变化。

具体实施方式

本发明提供了一种短波红外探测器单元器件，包括衬底和设置在衬底表面的外延层，所述外延层的最外层为吸收层9，还包括设置在所述吸收层9表面的多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层，所述多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层为具有通孔结构的第三介质材料层3，所述第三介质材料层3的折射率为n

所述第一通孔1的周期性排布规则为：以任意1个第一通孔1的圆心为第一正六边形的中心，第一正六边形的边长为La，第一正六边形的6个顶点位置分别对应另外6个第一通孔1的圆心；

所述第二通孔2的周期性排布规则为：以1个第一通孔1的圆心为长方形的中心形成1个长方形区域，将第三介质材料层3划分为若干长方形区域，1个长方形区域的长×宽为8La×6.92La，若干长方形区域之间相互不重叠，以长方形区域的中心为第二正六边形的中心，第二正六边形的边长为2La，第二正六边形的6个顶点位置为第二通孔2的圆心。

在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明提供的短波红外探测器单元器件包括衬底和设置在衬底表面的外延层，所述外延层的最外层设置为吸收层9。本发明对所述衬底的材质没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的材质即可。在本发明中，所述吸收层9的材质优选为InAs，所述吸收层的厚度h优选为0.1μm；所述短波红外探测器单元器件的红外吸收波长优选为1.55μm。

如图1和图2所示：本发明提供的短波红外探测器单元器件还包括设置在所述吸收层9表面的多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层。

在本发明中，所述多耦合拓扑缺陷光子晶体结构层的厚度H优选为100nm。

在本发明中，所述La优选为0.7～0.9μm，具体优选为0.7μm、0.8μm或0.9μm。

在本发明中，n

在本发明中，Da优选为0.2～0.8μm，具体优选为0.2μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm或0.8μm，Db优选为为0.1～0.8μm，具体优选为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.5μm、0.6μm或0.8μm。

作为本发明的一个或多个实施例，n

作为本发明的一个或多个实施例，n

作为本发明的一个或多个实施例，n

本发明采用多耦合拓扑缺陷设计实现红外探测焦平面像元内定域增强，本发明对吸收层材料表面的外延层刻蚀形成蜂窝型有序排布的光子晶体阵列，并对部分小孔阵列进一步的微纳加工设计，使其变成光子晶体结构中缺陷态。从而，本发明通过拓扑缺陷间的耦合及泄露模式的干涉，实现光子晶体结构对入射光场的定域化增强，进而增强红外探测焦平面像元红外信号。

本发明提供的短波红外探测器单元器件能够实现波长1.55μm入射光的光场局域。

本发明提供了上述技术方案所述的短波红外探测器单元器件的制备方法，包括以下步骤：

在所述吸收层的表面沉积第三介质材料，形成第三介质材料层3；

在所述第三介质材料层3上按照第一通孔1的周期性排布规则刻蚀第一通孔1，在所述第一通孔1中填充第一介质材料；

在具有第一通孔1的第三介质材料层3的上按照第二通孔2的排布规则刻蚀第二通孔2，在所述第二通孔2中填充第二介质材料，得到所述短波红外探测器单元器件。

本发明在所述吸收层的表面沉积第三介质材料，形成第三介质材料层3。在本发明中，所述第三介质材料层3的制备方法优选为化学沉积，本发明对所述化学沉积的具体实施过程没有特殊要求。

形成第三介质材料层3后，本发明在所述第三介质材料层3上按照第一通孔1的周期性排布规则刻蚀第一通孔1，在所述第一通孔1中填充第一介质材料。本发明对第一通孔1的刻蚀的具体实施过程没有特殊要求。本发明对第一介质材料的化学沉积的具体实施过程没有特殊要求。

化学沉积第一介质材料后，本发明在具有第一通孔1的第三介质材料层3的上按照第二通孔2的排布规则刻蚀第二通孔2，在所述第二通孔2中填充第二介质材料，得到所述短波红外探测器单元器件。在本发明中，本发明对第二通孔1的刻蚀的具体实施过程没有特殊要求。本发明对第二介质材料的化学沉积的具体实施过程没有特殊要求。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

如图1和图2所示，提供一个短波红外探测器单元器件，包括衬底和设置在衬底表面的外延层，所述外延层的最外层设置有吸收层9，吸收层9的材质为InAs材料，厚度h为0.1μm。

在吸收层9的表面化学沉积第三介质材料，第三介质材料的折射率为n

然后，以1个第一通孔1的圆心为一个长方形的中心，长方形的尺寸为8La×6.92La，在形成的每一个长方形的大光子晶体晶胞中心区域，设计并刻蚀六个拓扑缺陷态(即第二通孔2)，并让六个第二通孔2排列在一个边长为2La长度的正六边形的六个顶点上，第二通孔2的直径的为Db，然后在第二通孔2内填充第二介质材料，第二介质材料的折射率为n

在本实施例中，图1为本实施例制备的单周期的多耦合拓扑缺陷拓扑光子晶体增强焦平面探测器的纵切面图，其中：1为第一通孔(形成蜂窝形光子晶体阵列)，第一通孔中填充的第一介质材料的折射率为n

图2为本实施例制备的单周期的多耦合拓扑缺陷拓扑光子晶体增强焦平面探测器的横切面图，8为光子晶体结构的厚度H(100nm)，9为吸收层，材料为InAs，10为吸收层的厚度h。

图3为本实施例制备的光子晶体参数n

由图3可知：在参数n

如下的实施例2～4中，本发明改变多缺陷耦合光子晶体结构中的填充材料的折射率参数、第一通孔和第二通孔的几何参数(La、Da、Db)，来分析本发明设计的光子晶体对电磁场的能量局域能力。为量化局域能力的大小，根据局域模式的电场强度随离中心距离增大而迅速减小的特点，定义了耦合强度计算公式如式1所示：

式1中，E

本发明定义的耦合强度用来量化光子晶体结构局域场的局域程度，数值越大局域程度越高。

实施例2

与实施例1的制备方法基本相同，本实施例固定n

图4为光子晶体结构不同几何参数下按照式1计算得到的本征模式的耦合强度。图4中的a为La＝0.7微米，Da分别为0.4微米、0.5微米、0.6微米，变化Db时耦合强度的变化，图4中的b为La＝0.8微米，Da分别为0.5微米、0.6微米、0.7微米，变化Db时耦合强度的变化，图4中的c为La＝0.9微米，Da分别为0.6微米、0.7微米、0.8微米，变化Db时耦合强度的变化，图4中的a、b和c中其余参数n

如图4所示，本实施例分别考虑了光子晶体横向间距La分别在0.7微米、0.8微米、0.9微米，不同直径Da时，改变缺陷态直径Db，耦合强度的变化。可以看到在La为0.7微米、0.8微米的计算结果中，耦合强度随Db、Da的变化程度相较于La为0.9微米的结果较为平缓，因此本实施例可以选取，La为0.7微米，Da为0.5微米，Db为0.2微米的这一组数值，在实际加工时，可以保证实验误差对理论计算结果的影响较小。

实施例3

与实施例1的制备方法基本相同，本实施例固定La＝0.8微米，Da＝0.6微米，Db＝0.3微米，改变三种填充材料的折射率(n

图5为光子晶体结构不同折射率下按照式1计算得到的本征模式的耦合强度。图5中的a为n

如图5所示为多耦合拓扑缺陷光子晶体结构中，n

实施例4

与实施例1的制备方法基本相同，本实施例固定n

如图6所示当折射率分比为n1、n2、n3材料分别为硫化锌、氧化硅和硅材料，光子晶体单元间距La＝0.8微米时，分别改变光子晶体单元直径与缺陷直径时耦合强度的变化，当Da＝0.6微米、Db＝0.4微米时，可获得较强的耦合强度。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。