双光子响应硅光电探测器研究

论文分类号：TN248 单位代码：10183密级：内部研究生学号：19905013吉林大学硕士学位论文双光子响应硅光电探测器研究Two photon response Si photodetector research作者姓名：周志雄专业：微电子学与固体电子学导师姓名Array及职论文起止年月：2000年9月至2002年5月双光子响应硅光电探测器研究作者姓名：周志雄专业：微电子学与固体电子学导师姓名Array及职2002年5月20日提要本文首先阐述了利用双光子吸收响应半导体二极管代替倍频晶体和光电倍增管来构造自相关装置的优势。

说明了研制双光子吸收响应硅光电二极管的目的、意义。

其次，阐述了从实验上区分倍频吸收和双光子吸收的方法。

双光子响应硅光电二极管工作的物理机制以前并不很清楚，究竟是双光子吸收是主要的，还是倍频吸收是主要的，或者两着兼而有之，没有定论。

通过观测硅光电二极管的双光子响应和Al/Si肖特基势垒处的光生电压的各向异性以及双光子响应和内部电场的关系，我们得出在硅光电二极管终倍频吸收占主要地位的结论。

为今后研制高灵敏度的双光子响应硅光电二极管奠定了基础。

目录第一章　前言……………………………………………………１第二章　非线性光学概述………………………………………３第一节　非线性光学简述……………………………………………３第二节　非线性电极化强度……………………………………………５第三节　非线性相互作用的电磁公式…………………………………７第三章　双光子吸收……………………………………………９第一节　双光子吸收理论………………………………………………９第二节　双光子吸收的应用…………………………………………２２第四章　倍频效应……………………………………………２４第一节　二次谐波产生的基本理论…………………………………２４第二节　硅中二次谐波的探测………………………………………２９第五章　光整流现象　…………………………………………３２第六章　双光子响应的实验研究　……………………………３５第一节　硅光电二极管的双光子响应研究…………………………３５第二节　硅中电场诱导光整流的产生………………………………３８第三节 Al/Si肖特基势垒处电场诱导的倍频吸收 ………………４３第四节 MSM结构器件的倍频吸收………………………………４７第七章　结论…………………………………………………５３致谢………………………………………………………………５４参考文献…………………………………………………………５５摘要Abstract第一章前言近几十年来，非线性光学发展十分迅速，应用也越来越广泛。

在光学自相关装置中，利用双光子响应半导体光电二极管代替倍频晶体和光电倍增管[1][2]来构造光学自相关装置是人们对半导体非线性光学的一种应用。

传统的自相关装置都包含迈克尔迅干涉仪、倍频晶体和光电倍增管三部分。

迈克尔迅干涉仪把被测的超短光脉冲分成两束，使其中一束相对另一束产生时间延迟，然后再把它们结合起来在倍频晶体中传播。

被测光通过倍频晶体后产生倍频光。

光电倍增管用来探测微弱的倍频光，输出的光电信号是随脉冲延迟时间变化的自相关函数。

这种传统的自相关装置价格昂贵、体积大、调整困难、适用波长范围窄。

最近有利用双光子响应半导体光电探测器代替倍频晶体和光电倍增管构造自相关装置的报道[1][2]。

当一束光入射到半导体光电探测器上，如果光子的能量小于材料的禁带宽度，大于禁带宽度的一半，光功率密度足够高，可以产生双光子响应，引起带间跃迁，输出光电流。

这种体积很小的非线性固体光电探测器把倍频晶体和光电倍增管的作用结合在一起。

因此双光子响应半导体光电探测器可以与迈克尔迅干涉仪组合构造价格便宜、结构紧凑、使用方便、适用波长范围广的自相关装置。

目前人们对硅光电探测器双光子响应的物理机制还不清楚。

究竟是直接双光子吸收是主要的还是非位相匹配倍频效应产生倍频光后倍频光被吸收是主要的，还是两者兼而有之，目前尚无定论。

以前发表的文章都倾向于双光子吸收是主要的。

我们通过实验提出了不同的观点，认为在硅光电二极管中，由于内建电场的存在，破坏了硅晶体的反演对称中心，因而可以产生倍频效应。

产生的倍频光被吸收是光电流的主要来源。

我们设计的实验验证了以上观点。

自从１９９２年首次报道用双光子响应半导体光电探测器构造自相关装置以来，使用的硅光电探测器都是为单光子响应设计的商用光电探测器，灵敏度都很低，目前还没有关于为自相关装置用硅材料特制的双光子响应光电探测器的报道。

　在致力于区分倍频和双光子现象的同时，我们提出了未来制造双光子响应硅光电探测器的基本构想。

我们拟研制的双光子响应探测器为金属—半导体—金属条形波导结构。

上下两个金属反射面对光进行限制，同时作为欧姆接触电极，左右两个侧面由于硅的折射率大于空气的折射率产生全反射，对光进行限制，被测光从条形波导的一个端面入射。

条形波导长度可以选择1mm 长。

由于光与硅材料的作用距离增加，探测器的灵敏度必然提高。

但在论文中主要是进行对倍频效应和双光子现象的区分，因而仅在此处提出构想。

第二章 非线性光学概述第一节　非线性光学简述　非线性光学效应中的一个重要的物理量是外光电场存在时介质体系内部产生的电极化强度P (r ,t)。

在激光的高强度的电场E (r ,t)的作用下，介质中不仅会产生与入射场E (r ,t)成线性关系的电极化强度Ｐ（１）（ｒ，ｔ），还会产生与入射光电场成幂次方关系的非线性电极化强度P NL (r ,t)，它可以包括光电场强度的二次，三次及更高的幂次项。

而描述介质的电极化强度与光电场强度的关系最重要的物理量就是光学极化率，与不同幂次的电极化强度相应，介质的极化率可以有线性光学极化率?(1)，及非线性光学极化率?(2)，?(3)等，它们分别是二阶、三阶及四阶张量，反应了介质对于光电场的不同的响应，也直接决定了所产生的多种多样的非线性光学效应。

介质的极化强度Ｐ与入射光的电场强度E ?有如下关系：　 ??????????????E E E E E E P )3(0)2(0)1(0:?????? （２．１－１）　用标量表示，则有　 ?????32E E E P ??? （２．１－２）　下面我们对电极化强度的前几项作一点介绍：　１．线性项：E P ????)1(0)1(?? （２．１－３）　写作分量形式： j ij ji E P ??0?? （ｉ，ｊ＝１，２，３） （２．１－４）　若各向同性，?为标量，0)(??j i ij ?，???????332211，则：　i i E P ??0? （ｉ＝１，２，３）　可见，不管对各向同性还是各向异性介质，E ?和P ?之间均只有线性关系。

　２．二级项： E E P ???:)2(0)2(??? （２．１－５）　它的分量形式为 k j ijk k j ijk i E E d E E P ????0)2( （ｉ，ｊ，ｋ＝１，２，３）　对标量式2)2(E P ??，设E 为基频的简谐波场t E E ?cos 0?，则平方项对P 的贡献为　 2/)2cos 1(cos 202)2(0)2(t E t E P ??????? （２．１－６）　这里出现了倍频项，即出现二次谐波。

另一项是稳恒电场项，即零频项，即光整流项。

若输入的是两种不同频率的波场，则通过二阶项的贡献就可以出现12?、22?　、21???（和频）、21???（差频）等不同频率的项。

　３．三级项：　E E E P ?????)3(0)3(??? （２．１－７）　分量形式为：l k j ijkl i E E E P ??0)3(? （ｉ，ｊ，ｋ，ｌ＝１，２，３）　 目前，在非线性光学的一个重要分支“相位共轭光学”中，重点讨论的四波混频现象就属于三阶非线性效应。

将三个波作为入射场，表示为抽运波),(11r E ??　，),(22r E ??和物波),(r E p p ??　，代入)3(P 式后，对于相位共轭的光学过程，我们感兴趣的是??p NL E E E P ????21)3(?这一项，它所辐射的波频率为p c ???????21，当三个入射场的频率相同，即???????p21　时，称作简并四波混频。

这时，出射波cE 的频率?????????c ，与入射波相同。

若二抽运波的波矢量有如下关系：21k k ????，则可得c E 的波矢量和入射物波的波矢量有如下关系：p c k k ????即出射波是入射波的相位共轭波，这是现代光学中获得相位共轭波的常用方法［３］。

　人们一般认为最早的非线性光学现象是１９６１年被观察到的。

当时Ｆｒａｎｋｅｎ等人在Ｍｉｃｈｉｇｅｎ大学做了一个实验：红宝石激光器发出的波长为６９４３?A 的激光入射到石英上，产生了一条波长为３４７１．５?A 的新的谱线，即其频率是入射光的两倍，这就是所谓光倍频现象。

这是不同于“光通过不同媒质时其频率不变”这一线性光学结论的，而由非线性光学则很容易理解。

随后，又发现了许多非线性光学现象：如包括上述光倍频现象在内的、不同频率的光波之间可以产生能量交换，因而引起频率转换的各种混频现象；物质的折射率和吸收系数等光学参量与入射光强有关，因而可产生光束的自聚焦、自散焦、自相位调制、自感应透明……等一系列自作用；使各种散射过程转变为相应的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里渊散射；以及多光子吸收，光子回波……等等。

　第二节 非线性电极化强度根据因果性原理，三维空间中的电极化强度)()1(t P ?与)()1(t E ?之间的关系为???????????)1(0)1(0)1()()()()()(????????d t E R d E t R t P t????? (2.2-1) 在这里已考虑到电场强度和电极化强度都是矢量这个事实。

由因果性原理，t t ??时的电场强度)(t E ??对)()1(t P 是没有贡献的，即t ??时，)(?E ?对)()1(t P ?的贡献为零。

换言之0)()1(???t R ?t ?? (2.2-2) 所以?????????????????????????????????d t E R d E t R d E t R t P t)()()()()()()()1(0)1(0)1(0)1(??????? (2.2-3)现对电场)(??t E ?作傅立叶变换??????????????d t i E t E )](exp[)()(??(2.2-4)并代入(2.2-3)式后有?????????????????????d d t i E R t P )](exp[)()()()1(0)1(??? (2.2-5)而对)()1(t P ?作傅立叶变换后有????????????????????????d t i E d t i P t P )exp()()()exp()()()1(0)1(???(2.2-6)所以 ????????????d i R )exp()()()1()1(? (2.2-7)(2.2-6)式和(2.2-7)式是一阶电极化强度)()1(t P ?和一阶电极化率张量)()1(??的表示式。