一种光子筛选型太赫兹光晶体管及其多光子探测方法与流程

1.本发明涉及太赫兹多光子探测技术领域，尤其是涉及一种光子筛选型太赫兹光晶体管及其多光子探测方法。


背景技术：

2.研究太赫兹的高灵敏度多光子探测器，对扩展太赫兹探测器的应用有着十分重要的意义。量子阱太赫兹探测器具有稳定性好、相应速度快、易制作大平面阵列等优点，已经成为近年来太赫兹探测器领域的研究热点。然而，传统半导体量子阱太赫兹探测器不具有光增益功能，因而光响应率差，其应用受到很大限制。不仅如此，随着半导体技术的不断发展，针对单一太赫兹光子的窄带探测器已经满足不了更多功能的需求，如何对入射光束中多种不同太赫兹光子进行同步的、高灵敏度的检测，一直是该领域长期追求却又面临严峻挑战的前沿难题。
3.传统上，为实现对入射光束中的多种光子进行探测，必须对入射光束进行空间分光，即将不同光子通过衍射光栅等技术分光至不同的空间区域，然后对每一路单一的光子设计专门的探测器单元进行探测。但这样的色散分光方案必须在多个空间光学元件的配合下才能进行，无法在单片集成的探测器上实现，这不仅严重影响了应用的便捷性，在共焦显微镜等对光路校准精度要求苛刻的应用中，将更加难以实现针对不同光子的多光路同步精确校准。因而，单片集成的多光子探测是该领域发展的必然趋势。
4.当前已有的单片集成多光子探测技术主要采用基于滤波分光的方法，即入射光束入照到单片集成的含多个像元的阵列探测器上，在不同像元处采用不同的滤波材料或光栅结构，使得不同像元只探测目标光子中的一种。然而，该方法在每个探测像元处均损失了除目标光子之外的其他波长的入射光子，这使得该单片集成的阵列探测器件整体的多光子探测效率性能较差。譬如：针对n种不同光子的探测中，假定每种光子的探测像元面积为a，则总探测面积为na，入射光束则应不小于na，此时对每种光子的理论最高探测效率极限为1/n。不仅如此，由于对不同光子的光敏探测区域在空间上是分散的，因此在需要精准光路的应用中，同样难以对不同光子进行空间光路的精准优化。为实现单一区域的多光子探测，现有技术实现了一种采用同一宽带响应光栅、通过切换半导体能带结构以进行两种波长光子探测切换的方法，然而该方法必须在时序上区分探测两种光子，即只能在t1时段探测λ1光子(或在t2时段探测λ2光子)，因此必然会在t1时段损失同时入照的λ2光子(或在t2时段损失同时入照的λ1光子)，表明该方法对每种探测光子同样受限于1/n的有效探测效率上限。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光子筛选型太赫兹光晶体管及其多光子探测方法，以能够突破对每种单一光子探测效率小于1/n的极限，实现多光子同步高灵敏检测的目的。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光子筛选型太赫兹光晶体管，
包括由上至下依次相对设置的耦合光栅层、光敏浮栅层和沟道层，所述耦合光栅层包括多个用于耦合增强不同目标太赫兹光子的子光栅，所述光敏浮栅层用于对应吸收经子光栅结构耦合增强后的光子，以改变电化学势、进而改变沟道层的电导，所述沟道层的一端连接至源极，所述沟道层的另一端连接至漏极。
7.进一步地，所述耦合光栅层具体采用具有多周期特征的周期性超材料结构。
8.进一步地，所述耦合光栅层中不同子光栅分别对应施加有不同时序的重置电脉冲信号。
9.进一步地，所述光敏浮栅层位于耦合光栅层正下方近场范围内，以能够直接吸收对应子光栅耦合增强的光子。
10.进一步地，所述光敏浮栅层包括多个对应于不同子光栅的光晶体管浮栅，所述多个光晶体管浮栅之间相互电学隔离。
11.进一步地，所述源极和漏极均为复合金属电极。
12.进一步地，所述光敏浮栅层与沟道层之间形成电容耦合关系。
13.一种光子筛选型太赫兹光晶体管的多光子探测方法，包括以下步骤：
14.s1、根据多目标光子的探测需求，设计并构造具有多个子光栅的超元胞光栅结构，得到耦合光栅层；
15.s2、设计并构造与多个子光栅相匹配、且具有对应太赫兹波段响应能力的多个光晶体管浮栅，得到光敏浮栅层；
16.s3、将耦合光栅层与光敏浮栅层相互对应上下设置，并在光敏浮栅层下方设置沟道层，将沟道层的两端分别连接源极和漏极，制作单片集成的光子筛选型太赫兹光晶体管结构；
17.s4、将源极和漏极外接电表，给源极接电势的同时检测通路电流；
18.分别在多个子光栅上施加不同时序的重置电脉冲信号；
19.根据源极与漏极上电流的同步变化，获取得到多个不同光子的信号强度。
20.进一步地，所述步骤s1具体是采用电磁场数值计算模拟方法，以设计具有多个子光栅的超元胞光栅结构，其中，所述电磁场数值计算模拟方法包括有限时域差分方法和有限元法。
21.进一步地，所述步骤s2具体是采用半导体能带工程设计方法，以设计出多个光晶体管浮栅。
22.与现有技术相比，本发明采用多光子筛选方式，通过设置具有光子筛选功能的耦合光栅层，能够同时耦合入射的多光子并分别压缩至不同的子光栅近场范围，继而与光敏浮栅层直接耦合并被光敏浮栅层高效吸收，光敏浮栅层吸收各自光子后电势发生改变，进一步通过跨导效应在沟道层的电流信号中反映出光信号强度。因此，本发明综合利用了光栅结构的高效多光子耦合和筛选效率、以及光晶体管的跨导光电增益功能，实现了对多光子在单像元区域的高效高灵敏度同步探测，本发明突破了对每种单一光子探测效率小于1/n的极限，而且具有无需分光的优势，可在同一光敏探测区域同时进行多光子探测器件，在应用中无需对多种光子进行单独的光路校准。
23.此外，本发明采用具有跨导放大功能的光晶体管结构构造光敏浮栅层，可以同时实现多光子光电增益放大功能，实现单像元的多光子同步高灵敏检测；本发明采用现有成
熟的材料和器件工艺，即可有效实现单片集成的多光子单像元探测器件。
附图说明
24.图1为实施例一中光子筛选型太赫兹光晶体管结构示意图；
25.图2为实施例一中光子筛选型光栅的典型频谱响应；
26.图3为实施例一中光子筛选型光栅的近场光场分布；
27.图4为实施例二中设置有隔离栅的光子筛选型光栅示意图；
28.图5为实施例三中二维光子筛选型光栅结构示意图；
29.图中标记说明：100、λ1光子对应子光栅，101、λ2光子对应子光栅，200、λ1光子对应光晶体管浮栅，201、λ2光子对应光晶体管浮栅，300、光晶体管沟道，301、光晶体管源极，302、光晶体管漏极，400、λ1光子对应子光栅重置电脉冲，401、λ2光子对应子光栅重置电脉冲。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
31.实施例一
32.如图1所示，一种光子筛选型太赫兹光晶体管，包括上中下相对设置的耦合光栅层(由λ1光子对应子光栅100和λ2光子对应子光栅101构成)、光敏浮栅层(由λ1光子对应光晶体管浮栅200和λ2光子对应光晶体管浮栅201构成)和沟道层(由光晶体沟道300、光晶体管源极301和光晶体管漏极302构成)，上层的耦合光栅层包含可以耦合两种目标太赫兹光子(λ1光子和λ2光子)的子光栅结构(100和101)，以分别耦合增强不同光子的近场光场；中层的光敏浮栅层(200和201)具有与耦合子光栅相对应的光敏特性，在吸收对应光子后电化学势发生改变，进而通过跨导效应改变下层沟道层的电导；下层的沟道层(300)的一端连接至源极(301)，下层沟道层(300)的另一端连接至漏极(302)。
33.在实际应用中，金属耦合光栅层选用具有多周期特征的周期性超材料结构，可以将不同的光子筛选并在空间上区分，从而实现光子(λ1)集中在子光栅(100)区域近场增强、实现光子(λ2)集中在子光栅(101)区域近场增强的耦合效果，采用具有超元胞结构的超材料耦合光栅，利用其与入射光子耦合后不同光子在超元胞周期内不同区域实现光场增强效应，使得器件的有效吸收截面显著增加，克服传统片外分光的复杂性和滤波型分光带来的探测效率损失，同时实现对多种光子的理想探测性能；
34.中层光敏浮栅层(200和201)处于子光栅(100和101)正下方近场范围内，可直接吸收光栅(100和101)耦合增强的光子(λ1和λ2)，吸光后光敏浮栅层(200和201)的电势将发生改变；
35.中层的光敏浮栅层(200和201)与下层沟道(300)组成晶体管器件结构，并具有良好的跨导放大效应；
36.下层的沟道层(300)分别与源极(301)和漏极(302)相连，源极(301)和漏极(302)均为复合金属电极，可直接测量通过源极(301)和漏极(302)的电流，光敏浮栅层(200和201)吸光后电势改变可以通过晶体管结构的跨导效应改变通过源极(301)和漏极(302)的电流；
37.光敏浮栅层(200和201)中存在的光生载流子可以通过施加在子光栅(100和101)上的电脉冲(400和401)实现重置和初始化，对应光信号强度即可反映在源极(301)和漏极(302)电流在重置前和重置后的变化幅度。
38.本实施例应用上述光子筛选型太赫兹光晶体管，进行多光子探测，主要包括以下过程：
39.首先根据目标多光子设计具有对应多个子光栅结构的超元胞光栅结构，设计方法具体为电磁场数值计算模拟，包括有限时域差分方法和有限元法；
40.之后设计与上述光栅相匹配的具有对应太赫兹波段响应能力的光敏浮栅结构，并制作单片集成的光子筛选型太赫兹光晶体管器件结构，其中，设计方法具体是采用半导体能带工程设计方法；
41.最后将源极和漏极外接电表，给源极接电势的同时检测通路电流；通过控制电脉冲发生器的输出，分别在子光栅(100和101)上施加不同时序的重置脉冲(400和401)，根据源极(301)和漏极(302)电流的同步变化，即可读取出对应光子(λ1和λ2)的信号强度。
42.本实施例中，耦合光栅层(如图1中100和101)具有图2所示光谱响应，可实现对入射光束(λ1、λ2)的光子筛选功能，即将λ1光子筛选压缩至子光束100附近，将λ2光子筛选压缩至子光束101附近，光场分布如图3所示。图3结构示意图中箭头标识为光场增强的区域，场分布图给出了有限时域差分方法模拟得到的电场ez分量的空间分布，由图可见，λ1光子被筛选后主要分布于子光栅100下，λ2光子被筛选后主要分布于子光栅101下。
43.本实施例中，金属耦合光栅100和101为5nm ti/100nm au复合层，光栅结构参数为(如图1所示)：w1＝1.0μm(子光栅100宽度)，w2＝1.6μm(子光栅101宽度)；子光栅101之间的周期是d1＝4.5μm，子光栅100和101中心间距分别为d2＝3μm和d3＝1.5μm；
44.金属耦合光栅100和101位于浮栅层200和201上方100nm的位置，浮栅层200和201为7nm砷化镓量子阱层，相邻浮栅之间的电学隔离可通过湿法和干法刻蚀实现；
45.浮栅层200和201位于沟道层300上方100nm的位置，与沟道形成电容耦合并具有跨导放大功能；
46.耦合光栅层、浮栅层、沟道层之间由铝镓砷势垒层构成。
47.本实施例只针对λ1光子和λ2光子共两个光子进行探测，在实际应用中，可针对更多不同的目标光子进行探测，由此可知，本技术方案包括上中下相对设置的耦合光栅层、光敏浮栅层和沟道层，其中，上层的耦合光栅层包含可以耦合多种目标太赫兹光子的子光栅结构，能够分别耦合增强不同光子的近场光场；该过程可被看作入射光束中的多光子(λ1、λ2、
…
、λn)被自动筛选并压缩至各自的子光栅区域内，由于每种子光栅结构均具有亚波长特征(即：线宽《波长)，因此其针对目标光子的有效探测截面积(σ
有效
)不再受限于子光栅本身的几何面积(σ
几何
)，而是被子光栅的近场增强作用放大(设增强倍数为κ》》1)，即σ
有效
＝κσ
几何
。在优化设计的具有多周期结构的耦合光栅中，σ
有效
可无限接近探测器的光敏探测区域面积，即对入射在光敏探测区域的光子达到理想的接近100％的探测效率。特别值得注意的是，该过程和效率对入射光束中的每种光子均成立，因而可以同时实现每种光子的接近100％探测效率的理想探测，而不再受限于已公开技术的1/n探测效率上限。
48.中层的光敏浮栅层则具有与耦合子光栅相对应的光敏特性，吸收对应光子后电化学势发生改变，进而通过跨导放大效应改变下层电导。
49.下层的沟道层的一端连接至源极、另一端连接至漏极，通过测量源极和漏极的电流，即可反映多光子(λ1、λ2、
…
、λn)对应的各自光强信息，为区分读出不同光子的信号，可对不同子光栅结构进行脉冲重置操作，在对第i个子光栅进行脉冲重置的同时，根据源极漏极电流的同步变化，即可读出λi光子的光信号强度。
50.实施例二
51.为实现光敏浮栅层中各光晶体管浮栅之间的电学隔离，针对实施例一的结构，采用电容耦合切断浮栅200和浮栅201的方式，如图4所示，采用独立隔离栅并施加直流负偏压实现，独立隔离栅宽度约100nm，远远小于子光栅100和101的线宽，因而对光子筛选功能不产生显著影响。
52.实施例三
53.本实施例为实现对4种不同目标光子(λ1、λ2、λ3、λ4)的太赫兹光子高灵敏探测，在平面二维尺度内采用超元胞机构，每个超元胞含有4个不同尺寸的共振结构(如图5所示)。
54.综上所述，将本技术方案应用于实际中(比如显微镜应用)，只需对入射光束整体进行聚焦收集，而不需要考虑入射光束的不同光子组成；并从单一的器件可以在时序上分别获取多种光子对应的光信号强度信息。
55.本技术方案提出的一种光子筛选型太赫兹光晶体管，可突破现有多光子探测技术中对每种单一光子探测效率小于1/n极限，可在同一光敏探测区域同时进行多光子探测器件而无需预先进行空间分光，在应用中也无需对多种光子进行单独的光路优化校准；此外，采用具有跨导放大功能的光晶体管结构，可以同时实现多光子光电增益放大功能，从而实现单像元的多光子同步高灵敏检测；制作工艺方面，可采用成熟的材料和器件工艺，实现单片集成的多光子单像元探测器件。