基于表面等离子体效应的AlGaN/GaN量子阱中红外探测器光耦合的仿真研究

摘要

AlGaN/GaN量子阱中红外探测器是工作波长位于中红外波段的第三代焦平面阵列的有力竞争者，特别是其可以与紫外探测器进行单片集成，形成了该种红外探测器特有的优势，因此，其在军事领域有着重要的应用。但是由于量子选择定则的限制，AlGaN/GaN量子阱中红外探测器没法对垂直入射的TE模式的光进行响应。基于二维金属光栅的表面等离子体效应和衍射效应，可以有效地将TE模式的光的振动方向进行改变，从而解决AlGaN/GaN量子阱中红外探测器的光耦合问题。
　　本论文利用COMSOL Multiphysics这一多物理场耦合分析软件，采用周期性边界条件，对二维金属光栅的稳态近场透射光场进行仿真分析，以此来研究基于表面等离子体效应的AlGaN/GaN量子阱中红外探测器的光耦合。
　　本论文主要论述了：
　　(1)表面等离子体效应能把电磁波局限在金属表面。利用表面等离子体效应，二维金属光栅能极大地改变TE模式的垂直入射光的传播方向和振动方向，诱发出大量沿量子阱生长方向的光电场分量。相比于制作在非金属介质材料上的刻蚀光栅而言，采用二维金属光栅时，AlGaN/GaN量子阱中红外探测器的光耦合强度提高了2个数量级。
　　(2)从增强AlGaN/GaN量子阱中红外探测器光耦合的角度出发，应该按如下所述设计二维金属光栅：选择金或银作为金属光栅的材料；金属光栅薄膜厚度不宜太厚；根据器件工作波长确定光栅周期；选择正四棱柱形作为金属薄膜上的穿孔形状；需要优化穿孔的孔径大小；穿孔宜以六角阵列的形式排列。
　　(3)对于工作波长在4.7μm左右的AlGaN/GaN量子阱中红外探测器而言，采用金膜厚度为100nm、光栅周期为2.31μm、孔底面边长为1μm的方孔六角阵列金属光栅是一种较优的光耦合解决方案。

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1 绪论

1.1 AlGaN/GaN量子阱中红外探测器光耦合的研究背景

1.2 量子阱红外探测器光耦合的研究现状

1.3 本文的研究意义及其各章节内容

2 仿真工具

2.1 COMSOL Multiphysics仿真软件

2.2 射频模块

2.3 本章小结

3 基于表面等离子体效应的QWIP光耦合机理

3.1 量子阱子带间光吸收

3.2 金属的色散性质及表面等离子体激元的特点

3.3 COMSOL Multiphysics中仿真模型的建立

3.4 仿真结果和光耦合机理探究

3.5 本章小结

4 二维金属光栅参数优化

4.1 金属光栅的材料选择

4.2 金属光栅的薄膜厚度

4.3 亚波长孔大小的优化

4.4 亚波长孔的形状

4.5 亚波长孔的排列方式

4.6 入射光偏振态的影响

4.7 光入射方向的影响

4.8 蓝宝石衬底的光反射对光耦合的影响

4.9 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录