表面等离子体微腔与量子阱的强耦合机制及其在双色QWIP中应用的实验探索

作     者：张立建 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：安正华

授予年度：2014年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：强耦合 表面等离子体 微腔 子带间跃迁 量子阱 量子阱红外探测器 

摘      要：微腔与量子阱子带间跃迁的强耦合相互作用因其在基础研究和应用研究中重要的研究价值,近年来吸引了越来越多人的研究兴趣。为了提高腔内光场模式与子带跃迁间的强耦合相互作用强度,各种各样的微腔应运而生,表面等离子体微腔便是其中一种。传统的光学半导体微腔,入射光只能斜入射,依靠全反射来束缚光场;与之相比,表面等离子体微腔不仅可以耦合垂直入射的光,而且具有高耦合效率、强的电场增强等优点。本文中我们设计了一种类似于三明治结构的金属-介质-金属(MIM)微腔,其中上层为刻有周期性十字孔阵列的金属薄膜,中间层为介质材料,下层为一层完整的金属薄膜。在此基础上,我们研究了表面等离子体微腔与量子阱子带间跃迁的强耦合机制,并将表面等离子体微腔应用在量子阱红外探测器(QWIP)中。(1)为了研究腔内的光学模式,我们采用时域有限差分法(FDTD)对设计的微腔结构进行了模拟计算。我们发现微腔的最低阶共振频率是局域表面等离子体(LSP)和传播表面等离子体(PSP)的杂化模式。在等频条件下,通过改变十字孔的结构参数,我们可以实现光学模式在局域表面等离子体和传播表面等离子体之间的过渡转变,这为我们接下来调制光与物质的相互作用提供了一个新的自由度。更重要的是,对应最低阶共振,微腔可以实现大的电场增强和高的偏振转化率。(2)我们研究了介质层为周期性量子阱的情况,由于量子阱为各向异性介质材料且会发生子带间跃迁,所以模拟计算时量子阱的介电常数采用洛仑兹模型。计算结果表明,当微腔的最低阶共振频率与量子阱的子带间跃迁频率相等或者接近时,系统就会发生强耦合相互作用,并产生Rabi分裂,其中分裂大小与裸腔的共振频率的比值称为耦合强度。随后,在最低阶共振频率保持不变的条件下,我们通过改变十字孔的结构参数研究了不同光学模式与量子阱的耦合变化规律。当腔内模式由LSP主导变为PSP主导的过程中,耦合强度由20.75%增加到25.75%。通过分析发现,影响耦合强度大小(Rabi分裂大小)的原因是模式中电场z分量的占比,电场中z分量的占比越高,耦合强度越强。(3)基于表面等离子体微腔内丰富的光学模式、强的电场增强、高的偏振转化率等优点,我们论证了微腔应用在双色QWIP中的可行性。腔内两个工作频率f1=20THz和f2=30THz在腔内具有不同的电场分布。实验上,首先我们对设计的量子阱晶片(wafer)进行了性能测试,其中f1对应的量子阱性能较好,而f2对应的量子阱性能较差,我们推测是MBE生长造成的。其次,我们采用层转移等技术手段制作出了双色QWIP,摸索出了制作工艺流程,具体流程包括：电子束蒸镀Ti/Au、Au-Au热压键合、机械研磨和抛光、选择性腐蚀GaAs.选择性腐蚀阻挡层、光刻做台面(mesa).电子束曝光(EBL)做十字孔阵列、引线键合等工艺流程。最后,我们对双色QWIP器件进行了I-V曲线测试和光响应测试,结果表明器件具有较大的肖特基势垒,主要原因是因为金属层选用Ti/Au,但是光响应测试效果非常理想,理论和实验符合的很好。这些研究表明表面等离子体微腔与半导体量子阱相结合体系巨大的研究价值,不仅推动了腔量子电动力学的发展,而且对表面等离子体微腔应用在其它光电器件中奠定了基础。