应用于日盲光电探测器的AlN/AlGaN多周期一维光子晶体滤波器及日盲光电探测器

摘要

本发明公开了一种应用于日盲光电探测器的AlN/Al

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于日盲光电探测器的AlN/AlGaN多周期一维光子晶体滤波器，属于日盲光电探测领域。

背景技术

近年来，无论是在民用还是军事领域，如导弹预警、空间通信安全、发动机引擎控制等方向，日盲光电探测器的潜在的应用价值引发社会广泛的关注研究。但器件在日盲区以外对光的响应仍然是一个亟待解决的、影响器件对深紫外信号检测灵敏度的关键问题。虽然近年来被广泛关注的一些材料如Ga₂O₃，AlGaN等理论上由于其本征的日盲特性并不需要额外的滤波器辅助即可实现日盲探测，但在宽禁带半导体器件中缺陷和杂质所造成日盲区的光电流响应是不可避免的，所以一个拥有可见盲区高反射率和日盲区高透射率性能的滤波器仍然是进一步发展日盲光电探测器的关键所在。

Ⅲ-氮化物光子晶体滤波器经常被广泛应用于深紫外垂直腔面发射激光器、共振腔发光二极管以及尤其是日盲光电探测器中。目前为止，据文献报道中心波长在240-280nm，峰值反射率达到90％左右，阻带宽带不超过17nm的单周期光子晶体滤波器已经可以实现。但是，大多数Ⅲ-氮化物光子晶体滤波器在反射谱中狭窄的阻带宽度仍然无法突破20nm，如此狭窄的阻带无法有效地将响应谱限制在日盲区。即使偶有研究者试图通过模拟双周期的Al_0.98In_0.02N/Al_0.77Ga_0.23N布拉格反射镜以求提高阻带宽度，但实际制备过程中，高Al组分的Al_0.98In_0.02N难以制备且造价高昂，并不是一个可以广泛应用的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种应用于日盲光电探测器的AlN/AlGaN多周期一维光子晶体滤波器，可应用于日盲探测器提高可见盲区阻带宽度与峰值反射率，优化日盲区与可见盲区光电流响应抑制比。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种应用于日盲光电探测器的AlN/AlGaN多周期一维光子晶体滤波器，包括衬底，还包括生长在衬底上的两到三个周期性的AlN/Al_0.5Ga_0.5N/AlN结构，每个周期性的AlN/Al_0.5Ga_0.5N/AlN结构中，AlN/Al_0.5Ga_0.5N/AlN生长周期为33组。

优选的，所述多周期一维光子晶体滤波器的结构为：衬底/[A₁/B₁/A₁]₃₃/>2/B₂/A₂]₃₃，其中A₁的材质为AlN，厚度为16.88nm；B₁材质为Al_0.5Ga_0.5N，厚度为29.81nm；A₂的材质为AlN，厚度为18.07nm；B₂材质为Al_0.5Ga_0.5N，厚度为31.90nm。

优选的，所述多周期一维光子晶体滤波器的结构为：衬底/[A₁/B₁/A₁]₃₃/>3/B₃/A₃]₃₃/[A₄/B₄/A₄]₃₃，其中A₁的材质为AlN，厚度为16.88nm；B₁材质为>0.5Ga_0.5N，厚度为29.81nm；A₃的材质为AlN，厚度为17.77nm；B₃材质为>0.5Ga_0.5N，厚度为31.38nm；A₄的材质为AlN，厚度为18.96nm；B₄材质为>0.5Ga_0.5N，厚度为33.47nm。

优选的，所述衬底为蓝宝石衬底。

优选的，所述AlN的折射率为2.11，消光系数为0；Al_0.5Ga_0.5N的折射率为>

本发明还公开了一种日盲光电探测器，包含有上述的AlN/Al_0.5Ga_0.5N多周期一维光子晶体滤波器。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明中，每个周期均由构成，其中L、H分别代表AlN 和Al_0.5Ga_0.5N折射率不同的两种材料，所述光子晶体结构，是光子晶体最小组成单元，在实际生长过程中相邻两组的L/2即构成L，代表一层低折射率材料在某一特定中心波长下的厚度；

(2)本发明的多周期叠加光子晶体滤波，与传统单周期AlN/AlGaN单周期光子晶体滤波器相比，极大的拓宽了在可见盲区阻带的宽带，实现了280-320nm 以及280-340nm峰值反射率达到99％的宽阻带，是单周期最高阻带的2-3倍，集成于日盲探测器上可提高日盲区与可见盲区的光电流响应抑制比等性能。

附图说明

图1.实施例1中AlN/Al_0.5Ga_0.5N双周期一维光子晶体滤波器示意图；

图2.实施例2中AlN/Al_0.5Ga_0.5N三周期一维光子晶体滤波器示意图；

图3.AlN/Al_0.5Ga_0.5N单周期一维光子晶体滤波在同一中心波长下不同组数反射谱对比图；

图4.实施例1中AlN/Al_0.5Ga_0.5N双周期一维光子晶体滤波反射谱；

图5.实施例2中AlN/Al_0.5Ga_0.5N三周期一维光子晶体滤波反射谱；

具体实施方式

实施例1

实施例1：AlN/Al_0.5Ga_0.5N双周期一维光子晶体滤波器

膜系结构为：1.76/[A₁/B₁/A₁]₃₃[A₂/B₂/A₂]₃₃/1.0。其中n＝1.76代表蓝宝石衬底，n＝1.0代表顶部空气，A代表AlN，B代表Al_0.5Ga_0.5N，下角标1、2分别代表中心波长为285nm与305nm。厚度分别为

参照附图1设计，采用蓝宝石为衬底，依次向上生长33组>0.5Ga_0.5N/AlN厚度分别为16.88/29.87/16.88，再继续生长33组>0.5Ga_0.5N/AlN厚度分别为18.07/31.90/18.07。将此133层薄膜结构的材料名称与厚度依次输入到模拟软件TFCalc中，即可分析得到计算反射谱，如图4>

实施例2：AlN/Al_0.5Ga_0.5N三周期一维光子晶体滤波器

膜系结构为：1.76/[A₁/B₁/A₁]₃₃[A₃/B₃/A₃]₃₃[A₄/B₄/A₄]₃₃/1.0。其中n＝1.76>0.5Ga_0.5N，下角标1、3、4分别代表中心波长为285nm、300nm和320nm。厚度分别为

参照附图2设计，采用蓝宝石为衬底，依次向上生长3周期，每周期33组>0.5Ga_0.5N/AlN，每个周期厚度分别为16.88/29.87/16.88，17.77/31.38/17.77，18.96/33.47/18.96。将此199层薄膜结构的材料名称与厚度依次输入到模拟软件>

本发明的多周期光子晶体滤波器结构，依据不同中心波长单周期结构模拟反射谱中阻带范围(见表1)，分别选择两组和三组单周期结构进行叠加，其中中心波长较短的结构生长在底部，较长的依次向上生长。

表1体现了AlN/Al_0.5Ga_0.5N单周期一维光子晶体滤波器，在不同中心波长下，所能实现阻带范围及宽度。最大宽度不超过20nm，无法满足日盲光电探测器的需求。其数值可为设计AlN/Al_0.5Ga_0.5N多周期一维光子晶体滤波器提供参考。

表1：AlN/Al_0.5Ga_0.5N单周期一维光子晶体滤波器不同中心波长下阻带范围及宽度数据

本发明的光子晶体滤波器中，每个周期均由构成，其中L、H分别代表AlN和Al_0.5Ga_0.5N折射率不同的两种材料，每层厚度均由中心波长和材料折射率共同决定，即分别选取中心波长λ₀为285nm,300nm,305>0.5Ga_0.5N光子晶体滤波器的计算反射谱。通过继续叠加薄膜层数，即可计算得到双周期与三周期光子晶体滤波器具有更宽阻带的计算反射谱。

所述光子晶体结构，其是光子晶体最小组成单元，实际生长过程中相邻两组的即构成L，代表一层低折射率材料在某一特定中心波长下的厚度。

所述每个周期33组，是根据传输矩阵方法计算与模拟验证所得单周期最优组数。以23组、43组作为对照组，分别模拟在中心波长为285nm时，三种不同组数的单周期光子晶体反射谱如图3所示，从图3中可以看出，每个周期33 组AlN/Al0.5Ga0.5N/AlN结构为最优，组数减少会造成峰值反射率的降低及阻带变窄；组数增加并不再增加峰值反射率和阻带宽度，且会形成阻带以外区域的反射谱震荡明显，33组的结构能够同时兼具较宽的阻带范围和在阻带内较高的峰值反射率。

所述具有高低不同折射率的材料分别选择为Al_0.5Ga_0.5N和AlN，是兼顾折射率差值越大越好且材料吸收越小越好的原则。不同Al组分材料的折射率和消光系数通过查阅文献资料可获得。Al组分越大，折射率越低，为了保证尽可能大的折射率差值，选取AlN的折射率为2.11，消光系数为0，为透明材料；Al组分越低，日盲区AlGaN的消光系数呈指数型上升，由于材料对光谱的吸收范围由材料本征禁带宽度决定，而Al组分为x的Al_xGa_1-xN>0.5Ga_0.5N和AlN最优。其中>0.5Ga_0.5N的折射率为2.39，消光系数为0.00247。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。