一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法
2023-05-23 09:40:26
專利名稱：一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法
技術領域：
本發明涉及光探測器領域，尤其是紅外探測技術領域，提供了一種諧 振腔增強探測器腔模的控制方法。本發明可應用於諧振腔增強類型探測器 的生長控制技術中。
背景技術：
所有物體均發射與其溫度和特性相關的熱輻射，環境溫度附近物體的
熱輻射大多位於紅外波段。紅外輻射佔據相當寬的電磁波段(0.8^im 100(Vm)。可知，紅外輻射提供了客觀世界的豐富信息，充分利用這些信 息是人們追求的目標。將不可見的紅外輻射轉換成可測量的信號的器件就 是紅外探測器。探測器作為紅外整機系統的核心關鍵部件，探測、識別和 分析紅外信息並加以控制。紅外技術得到了廣泛應用，首要的當屬軍事應 用。反之，由於應用的驅使，紅外探測器的研究、開發乃至生產，越來越 受重視而得以長足發展。現代科學技術的進展提供紅外探測器研製的廣闊 天地，高性能新型探測器層出不窮。歷史上，紅外探測器的發展得益於戰 爭尤其是二次大戰的刺激。隨後的冷戰時期，到現今的局部戰爭，人們不 斷加深對紅外探測器重要性的認識。至今，軍事應用仍佔整個紅外敏感器 市場的大部分。更高的性能指標和降低成本對紅外技術提出了愈來愈高的 要求。
高靈敏度近紅外光探測器在光通訊、信息、國防和軍事等高科技領域 中佔有十分重要的地位，多年來一直是人們研究的熱點。傳統的光探測器 包括雪崩光電二極體、P-I-N光電二極體、異質結光電電晶體和金屬-半導 體-金屬光電二極體等。由於受到表面層反射和有源層吸收的限制，若要提 高這些光探測器(APD除外)的光電轉換效率，需要增加有源層的厚度和外 加防反射層。但是，較厚的有源層會加大損耗，導致響應速度變慢。另一
3方面，這類光探測器均是寬頻譜探測器，不能針對某特定波長進行單頻檢 測，無法滿足許多重要的國防、軍事應用上的需要，如對巡航飛彈光電導
引頭的1.064微米輻射的探測。共振腔增強(RCE)光探測器的出現有效 地克服了上述器件的缺點。1.06微米波段的Nd: YAG雷射器在工業生產、 醫藥、遙感探測、空間通訊及武器制導方面得到廣泛應用。然而，Nd: YAG 雷射器的1.06微米工作波段恰好處在矽基材料的長波極限與銦鎵砷一銦 磷基材料短波極限之間。因而以銦鎵砷量子點作為吸收材料的高增益共 振腔增強探測器恰好可以填補這一空白。
在銦鎵砷量子點諧振增強光探測器中，諧振腔的分布布拉格反射鏡是 由光程為四分之一波長的砷化鎵和砷化鋁交替生長組成，腔體的光學長度 通常設計為半波長的奇數倍。本發明要力求量子點發光峰中心、高反帶中 心對應的波長以及腔體長度對應的波長一致。量子點的發光峰可以通過控 制銦和鎵的成分以及生長溫度等實驗條件來調控，比較容易達到目標峰 位，而要使高反帶中心對應的波長與腔體長度對應的波長達到一致就非常 困難。只有高反帶對應的中心波長與腔體長度對應的波長匹配，才能準確 地達到設計的腔模位置，否則，探測器的腔模位置會發生偏離。分子束外 延設備的生長技術雖然已經達到很精確的水平，但是在生長几十對分布布 拉格反射鏡和幾百納米甚至上千納米的腔體過程中，實際生長長度微小波 動的積累都會導致高反帶的中心位置和實際腔模位置都會與設計值發生 偏離，少則幾納米，多則十幾納米甚至幾十納米。而且，通常實際樣品的 高反帶中心位置與腔體長度對應波長也不匹配。這樣一個複雜的結構，測 量其中每一層的厚度是難以實現的，如何實現諧振腔增強探測器腔模的精 確控制是一個很大的難題。
在通常的經驗中，大家普遍採取腔體中某一結構層在生長過程中不旋 轉，使得腔體厚度有一定變化區間，這樣在一整片的樣品中，就會有某一 部分達到設計的腔模。但是，這樣得到設計腔模的部分，往往是由於高反 帶的中心位置和腔體長度對應波長偏離在設計腔模的兩側，而不是來自於 真正的匹配。因此，這種傳統方法不僅很難得到真正匹配的腔模，無法達 到真正的諧振；而且整個樣品的大部分因為不能達到設計腔模被浪費了。
發明內容
本發明的目的在於提供一種諧振增強探測器腔模的控制方法，運用這 種方法，可以有效地解決高反帶對應波長與腔體對應波長的匹配問題，從 而真正意義上發揮探測器的諧振增強效應，得到高量子效率的諧振增強探 測器。
本發明一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法，其特徵在於，包括如 下步驟
1) 設計諧振腔增強探測器的腔模，初始設置探測器每一個結構層的
厚度，由分子束外延設備生長樣品；
2) 採用顯微拉曼光譜儀測量樣品的反射譜，得到高反帶的中心位置 以及樣品實際腔模位置；
3) 運用模擬程序，計算出與實際樣品高反帶完全對應的砷化鎵層的 厚度，砷化鋁層的厚度以及與實際腔模完全對應所要求的腔體的厚度；
4) 利用模擬得到的高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔體 厚度對第一次生長樣品高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔體厚 度進行校正，根據校正數據對分子束外延設生長樣品的時間參數進行校 正，生長出新樣品；
5) 檢測新樣品。
進一步，所述步驟5)採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜，新樣 品達到設計腔模，確定進行批量生產。
進一步，所述步驟5)採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜，新樣 品沒有達到設計腔模，重複步驟2) 4)作迸一步參數校正。
其中步驟3)中採用的模擬程序，是在Windows XP環境下，利用 Compaq Visual Fortran軟體編寫。程序採用光學傳輸矩陣的方法來計算微 型諧振腔的反射率，計算得到的數據文件通過OriginPro 7.5軟體繪製出相 應的反射譜。
上述分子束外延設備和顯微拉曼光譜儀以及運行模擬程序的電腦保 持各自的獨立性。本發明的有益效果在於實現諧振增強探測器腔模的控制，有效發揮 探測器的諧振增強效應，提高探測器的量子效率。而且，容易實現探測器 的批量生產。 一旦通過上述步驟確定好最佳生長參數，達到設計腔模，便 可以固定參數批量生產。而且整個實驗片在生長過程中可以始終保持旋 轉，生長出均勻的實驗片都在設計腔模位置，這樣實驗片的每一部分都可 以使用。相對於通過實驗片某結構層不旋轉造成腔體厚度梯度來實現樣品 小部分達到設計腔模的辦法，本發明實現高反帶對應波長與腔體對應波長 的匹配，達到真正意義的腔模，有效提高探測器的量子效率；而且提高了 材料的利用率，大大節約成本。
圖1為本發明的流程圖2為首次生長樣品的螢光譜；
圖3為實測反射譜與模擬計算反射譜對比圖;
圖4為修正後生長樣品的螢光譜；
圖5為修正後生長樣品的反射譜。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
本發明設計的諧振增強探測器腔模位置在1064nm，在腔體的波腹位 置設計生長量子點。本發明的目標就是使得諧振增強探測器的腔模位置在 1064nm，並且腔模是高反帶對應的中心波長與腔體長度對應的波長匹配 的。
請參閱圖1，圖1是本發明的流程圖，本發明一種諧振腔增強探測器 腔模的控制方法，包括如下步驟
步驟1:設計諧振腔增強探測器的腔模，計算好探測器每一個結構層 的厚度，由分子束外延設備生長樣品。
步驟2:採用法國JY公司的Super-LabRam顯微拉曼光譜儀測量樣品 的反射譜，得到高反帶的中心位置以及樣品實際腔模位置。步驟3:利用Compaq Visual Fortran軟體編寫程序採用光學傳輸矩陣 的方法來計算微型諧振腔的反射率。運用模擬程序，計算出與實際樣品反 射譜高反帶完全對應的砷化鎵層和砷化鋁層的厚度，這裡本發明假設實際 的砷化鎵層和砷化鋁層保持匹配。以模擬得到的砷化鎵層和砷化鋁層厚度 為基礎，進一步運用模擬程序，計算出與實際腔模一致所要求的實際腔體 的厚度。
步驟4:利用模擬得到的高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及 腔體厚度對第一次生長樣品高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔 體厚度進行校正，根據校正數據對分子束外延設備生長樣品的時間參數進 行校正，生長出新樣品。
步驟5:採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜，檢査新樣品是否達 到設計腔模。如果新樣品達到設計腔模，則可以固定分子束外延設備生長 參數，批量生長；如果依然有偏差，可以從步驟2開始重複上述步驟再次 對樣品參數進行校正，直至達到理想效果。
以下以一具體實施例對本發明作進一步說明。
步驟l:本發明設計的諧振增強探測器腔模位置在1064nm，按照這個 設計可以得到，分布布拉格反射鏡中砷化鎵層的厚度為76.4nm，砷化鋁層 的厚度為92.2nm。腔體長度設計為3.5倍腔模波長。設計好的結構由分子 束外延設備生長。
步驟2:對生長的樣品採用法國JY公司的Super-LabRam顯微拉曼光 譜儀進行光譜測試。圖2是本發明測得樣品的螢光譜，從螢光譜看，樣品 的發光特性比較好，在較弱測試光強下便能得到尖銳的發光峰，譜峰值強 度為2595，中心腔模在1063nm，非常接近設計腔模1064nm。但是通過測 試樣品的反射譜(圖3)，會發現這個1063nm的中心腔模並非一個匹配的 理想的中心腔模。圖3中的實線b為樣品的實測反射譜曲線，可以看到其 高反帶範圍在1042nm到1142nm，高反帶中心在1092nm，顯然分布布拉
格反射鏡的生長與本發明的設計發生了偏離。
步驟3:通過Compaq Visual Fortran軟體編寫程序對高反帶進行模擬，
得到與實測高反帶吻合的模擬高反帶所對應的砷化鎵層和砷化鋁層厚度參數，砷化鎵層為78.8nm，砷化鋁層為94.6nm。而本發明設計的砷化鎵 層厚度為76.4nm，砷化鋁層厚度為92.2nm。可見，實際生長的樣品的分 布布拉格反射鏡各層長厚了，可以根據這個模擬結果，指導分子束外延設 備在生長修正的樣品時，對各個砷化鎵層厚度減少2.4nm，對各個砷化鋁 層厚度減少2.4nm。上述模擬得到了與實測結果吻合的高反帶，本發明進 一步通過程序模擬，可以得到與實測反射譜完全吻合的反射譜曲線如圖3 中點線a，模擬腔長為1050nm，顯然實際腔長比本發明的設計腔長1064nm 長薄了 14nm。
步驟4:總結以上對反射譜的實測與模擬對比，可以看到，本來設計 的腔模位置在1064nm，也就是要求高反帶的中心位置和腔體長度對應波長 都在1064nm;但是實際生長樣品的高反帶中心位置在1092nm，腔體長度 對應波長在1050nm，都與設計值發生了一定的偏離。因此，雖然得到的 樣品腔模位置在1063nm，與設計值1064nm非常接近，但是這只是一個高 反帶的中心位置和腔體長度對應波長不匹配的腔模，會削弱諧振腔的諧振 增強效果，不能有效地提高諧振腔樣品的量子效率。本發明通過修正樣品 的生長參數，得到了新的樣品。為了對比驗證本發明修正樣品參數得到樣 品的效果，本發明只對高反帶的各層厚度參數進行了修正，腔長的參數保 持不變。
步驟5:圖4是修正樣品的螢光譜，測試光強與原樣品螢光譜測試的 光強保持一致。可以看到，修正樣品的PL譜峰值強度為5504，幾乎是原 樣品螢光譜峰值強度2595的兩倍。由此，可以看出，修正樣品的腔模匹
配程度得到了很大改善。
圖5是修正樣品的反射譜，可以看到高反帶範圍在1016nm到1122nm， 高反帶中心在1069nm，這與程序模擬的結果幾乎一致，因此可以判定修 正後分布布拉格反射鏡的生長是準確的。而且可以看到修正樣品腔模位置 的反射率為0.90，比原樣品腔模位置的反射率0.94有了改善。
通過對修正樣品螢光譜以及反射譜的分析，可以看到修正樣品的高反 帶一次修正便達到了準確位置，使得樣品的腔模匹配程度得到了改善。分 子束外延設備生長多層分布布拉格反射鏡的諧振腔結構成本非常高，本發 明沒有做進一步的實驗生長和測試。但是，本發明的修正樣品的實驗測試
8充分展示了本發明的可行性和實用性，這種方法將給諧振腔探測器的準確 生長帶來有效的指導實現腔模的真正匹配，提高諧振腔探測器量子效率, 節約材料從而大大降低成本，實現諧振腔探測器的大批量生產，為諧振腔 探測器的更廣泛應用起到積極的推動作用。
至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技 術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發明的範圍不局限於上述特定實施例，而應由 所附權利要求所限定。
權利要求
1. 一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟1)設計諧振腔增強探測器的腔模，初始設置探測器每一個結構層的厚度，由分子束外延設備生長樣品；2)採用顯微拉曼光譜儀測量樣品的反射譜，得到高反帶的中心位置以及樣品實際腔模位置；3)運用模擬程序，計算出與實際樣品高反帶完全對應的砷化鎵層的厚度，砷化鋁層的厚度以及與實際腔模完全對應所要求的腔體的厚度；4)利用模擬得到的高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔體厚度對第一次生長樣品高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔體厚度進行校正，根據校正數據對分子束外延設生長樣品的時間參數進行校正，生長出新樣品；5)檢測新樣品。
2. 根據權利要求l所述的諧振腔增強探測器腔模的控制方法，其特 徵在於，所述步驟5)採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜，新樣品達 到設計腔模，確定進行批量生產。
3. 根據權利要求1所述的一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法， 其特徵在於，所述步驟5)採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜，新樣 品沒有達到設計腔模，重複步驟2) 4)作進一步參數校正。
4. 根據權利要求l所述的諧振腔增強探測器腔模的控制方法，其特 徵在於，所述模擬程序是採用Compaq Visual Fortran軟體編寫的，利用光 學傳輸矩陣的方法來計算微型諧振腔的反射譜程序。
5. 根據權利要求1所述的一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法， 其特徵在於，所述根據程序模擬得到的各生長層厚度數據對分子束外延設 生長樣品各層的時間參數進行校正，能夠使新樣品的各生長層厚度接近設 計值，從而獲得匹配的設計的諧振腔腔模。
全文摘要
本發明一種諧振腔增強探測器腔模的控制方法，包括1)設計諧振腔增強探測器的腔模，初始設置探測器每一個結構層的厚度，由分子束外延設備生長樣品；2)採用顯微拉曼光譜儀測量樣品的反射譜，得到高反帶的中心位置以及樣品實際腔模位置；3)運用模擬程序，計算出與實際樣品高反帶完全對應的砷化鎵層的厚度，砷化鋁層的厚度以及與實際腔模完全對應所要求的腔體的厚度；4)根據步驟3)所得數據對第一次生長樣品高反帶的砷化鎵層厚度、砷化鋁層厚度以及腔體厚度進行校正，並對分子束外延設生長樣品的時間參數進行校正，生長出新樣品。5)採用顯微拉曼光譜儀測量新樣品反射譜。
文檔編號H01L31/18GK101471396SQ20071030425
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年12月26日
發明者孫曉明, 匯 朱, 李韞慧, 甘華東, 昊 章, 肖文波, 談笑天, 鄭厚植 申請人:中國科學院半導體研究所