專利名稱：一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法
一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于太赫茲波通信領(lǐng)域，尤其涉及一種太赫茲波調(diào)制器及其制作方法。
技術(shù)背景
無線通信的有限頻譜資源和迅速增長(zhǎng)的高速業(yè)務(wù)需求的矛盾迫使人們?nèi)ラ_發(fā)新的頻譜波段。太赫茲波是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波(1 THz = IO12 Hz)，波長(zhǎng)為0.03 mm到3 mm，具有很大的帶寬，因此發(fā)展THz無線通信技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。其中太赫茲波調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)中必不可少的器件之一，而目前太赫茲調(diào)制器的性能主要受限于材料的選擇和制備。新型半導(dǎo)體基底材料和電磁超材料 (meta-material)的有機(jī)結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)太赫茲某些關(guān)鍵技術(shù)，尤其是太赫茲調(diào)制技術(shù)的突破。
近年來所報(bào)道的THz波調(diào)制器有利用半導(dǎo)體塊狀材料對(duì)THz波進(jìn)行調(diào)制的方法。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院的李九生等基于超高電阻率的硅(Si)晶片，利用808 nm激光照射產(chǎn)生光生載流子對(duì)THz波進(jìn)行調(diào)制。由于超高電阻率Si片中載流子的復(fù)合壽命較長(zhǎng)，所以其調(diào)制速率僅為0.2k bps。砷化鎵GaAs中載流子的壽命較短，有可能成為制備高速太赫茲調(diào)制器的基底材料。捷克的L. !^ekete等人采取在交替層疊的SiO2和MgO周期結(jié)構(gòu)中嵌入一層 GaAs缺陷層的辦法以構(gòu)成一維光子晶體，利用GaAs在810 nm激光照射下產(chǎn)生的光生載流子的濃度變化來調(diào)制光子晶體的透過特性，從而實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制THz波的目的。但由于GaAs 中載流子的壽命較短，響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到130 ps量級(jí)，所以雖然理論上對(duì)THz波的調(diào)制速率可以達(dá)到GHz量級(jí)，但為了獲得較高的光生載流子濃度和較大的調(diào)制深度，810 nm調(diào)制激光的光通量需達(dá)到0.8 μ J/cm2的極高量級(jí)，其對(duì)應(yīng)的連續(xù)波輸出激光功率則需要達(dá)到 IO5 W以上，這使其在實(shí)際應(yīng)用中受到極大限制。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種太赫茲波調(diào)制器，從而克服現(xiàn)有砷化鎵基底中載流子的復(fù)合壽命過短以致需要超強(qiáng)功率的調(diào)制激光器的缺陷，實(shí)現(xiàn)了在低功率調(diào)制激光的激發(fā)條件下也能對(duì)太赫茲波進(jìn)行高速調(diào)制。
技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種太赫茲波高速調(diào)制器，包括襯底層，在該襯底層上生長(zhǎng)有一緩沖層，在該緩沖層生長(zhǎng)有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)， 在該應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)；所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)以上的勢(shì)壘層和至少一個(gè)勢(shì)阱層，所述勢(shì)阱層處于兩勢(shì)壘層中間，且所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)最上層和最下層都是勢(shì)壘層；所述襯底層是< 111 >面取向，所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢(shì)阱層的能帶隙小于勢(shì)壘層，且所述勢(shì)壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或者相差不超過0. 5%。
當(dāng)太赫茲波依次通過金屬超材料結(jié)構(gòu)、應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、緩沖層、最后從襯底層的下表面射出的同時(shí)，另有一束波長(zhǎng)為SlOnm的調(diào)制激光入射到量子阱，激發(fā)光生載流子，由于所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘層和勢(shì)阱層的晶格失配從而產(chǎn)生強(qiáng)壓電場(chǎng)能夠有效的分離光生載流子中的電子和空穴，從而顯著增加光生載流子的濃度和復(fù)合壽命，極大的降低所需外部調(diào)制激光器的功率。
作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢(shì)壘層材料是砷化鎵，所述勢(shì)阱層材料是銦鎵砷?；蛘咚鲆r底層和緩沖層是砷化鎵，所述勢(shì)壘層材料是鋁鎵砷，所述勢(shì)阱層材料是鎵砷磷。
作為優(yōu)選，所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘層和勢(shì)阱層都是< 111 >面取向，所述勢(shì)壘層厚度為10 300nm，所述勢(shì)阱層厚度為1 30nm。
作為優(yōu)選，所述緩沖層厚度為20 300nm。
作為優(yōu)選，所述金屬超材料結(jié)構(gòu)中金屬諧振單元的厚度為0. 2 5微米，周期為 20 80微米。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供了一種上述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，具體包括以下步驟a、通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)(MOCVD)或分子束外延技術(shù)(MBE)在<111 >面取向的襯底層上生長(zhǎng)一層緩沖層；b、然后繼續(xù)在該緩沖層上依次生長(zhǎng)<111 >面取向的勢(shì)壘層、勢(shì)阱層和勢(shì)壘層，從而構(gòu)成< 111 >面取向的應(yīng)變單量子阱層，其中勢(shì)阱層選用的材料的能帶隙小于勢(shì)壘層，且所述勢(shì)壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或相差在0. 5%以內(nèi)；C、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢(shì)壘層均由砷化鎵構(gòu)成，所述勢(shì)阱層由銦鎵砷構(gòu)成。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)通過在<111>取向的襯底上生長(zhǎng)<111>取向的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，在量子阱內(nèi)部獲得極強(qiáng)的壓電場(chǎng)；該壓電場(chǎng)能夠有效地分離光生載流子中的電子和空穴，顯著地延長(zhǎng)光生載流子的復(fù)合壽命和增加載流子濃度，從而能極大地降低對(duì)外部調(diào)制激光器功率的要求；與此同時(shí)，通過改變<111>取向的 InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱中h的組分和量子阱寬度，可以靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場(chǎng)的大小和電荷空間分離的程度，進(jìn)而可以根據(jù)需要，方便地調(diào)節(jié)太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速率，調(diào)制速率可達(dá)到IOMbps以上。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)在內(nèi)建壓電場(chǎng)的作用下的能帶結(jié)構(gòu)變化圖； 圖3為本發(fā)明所述實(shí)施例中應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)壓電場(chǎng)的強(qiáng)度與勢(shì)阱層中銦(In)組分含量的關(guān)系曲線；圖4為太赫茲波在本發(fā)明所述調(diào)制器調(diào)制下的透過率隨外部激發(fā)光強(qiáng)的變化曲線。
其中，襯底層1、緩沖層2、金屬超材料結(jié)構(gòu)3、勢(shì)壘層4、勢(shì)阱層5。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
如圖1所示，一種太赫茲波高速調(diào)制器包括<111>取向的半絕緣砷化鎵(GaAs)襯底層1，首先在襯底上通過MOCVD金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)一層GaAs緩沖層2，該砷化鎵緩沖層2厚度控制在20到300納米，從而可以將后續(xù)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中的銦鎵砷勢(shì)阱層5與砷化鎵襯底層1之間在晶格常數(shù)存在的較大差異克服，最終獲得高質(zhì)量的< 111 >面取向的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。
然后在該緩沖層2上依次生長(zhǎng)< 111 >面取向的砷化鎵勢(shì)壘層4、銦鎵砷勢(shì)阱層5 和砷化鎵的勢(shì)壘層4，從而構(gòu)成< 111 >面取向的hGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其中所述砷化鎵勢(shì)壘層4的厚度為10到300納米，所述銦鎵砷勢(shì)阱層5的厚度為1到30納米；最后在最上層的GaAs表面通過光刻、蒸鍍和刻蝕等工藝技術(shù)制備一層由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)3，該金屬超材料厚度為0. 2 5微米，周期為20 80微米，諧振單元的幾何形狀可為任意電磁共振器單元的形狀。
上述的<111>取向的hGaAs/GaAs量子阱內(nèi)由于晶格失配產(chǎn)生的強(qiáng)壓電場(chǎng)能有效地分離光生載流子中的電子和空穴，從而能顯著地增加光生載流子的濃度和復(fù)合壽命，極大地降低所需外部調(diào)制激光器的功率；上述<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱的勢(shì)壘層可由與砷化鎵襯底層晶格匹配或者相差在0. 5%以內(nèi)的鋁鎵砷(AKiaAs)材料，而勢(shì)阱則可由鎵砷磷(GaAsP)或者其它能帶隙 (band gap)低于勢(shì)壘材料而且與襯底材料晶格失配的化合物半導(dǎo)體材料所代替。
受調(diào)制的太赫茲波依次通過金屬超材料結(jié)構(gòu)3、應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、緩沖層2，最后從GaAs(Ill)襯底層1的下表面射出，由太赫茲時(shí)域光譜儀(TDQ接收并檢測(cè)。同時(shí)，另有一束波長(zhǎng)為810納米的調(diào)制激光照射到<111>取向的InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上，激發(fā)光生載流子，其濃度和復(fù)合壽命可由應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。光生載流子濃度隨調(diào)制光強(qiáng)的改變而變化且與載流子的復(fù)合壽命成正比，所以改變調(diào)制激光強(qiáng)度可以影響超材料結(jié)構(gòu)的諧振頻率和諧振強(qiáng)度。通過TDS檢測(cè)到的太赫茲波的透射光譜反映的就是經(jīng)過調(diào)制的、強(qiáng)度變化速率與調(diào)制光相同的太赫茲波。
<111>取向的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的引入是本發(fā)明的核心創(chuàng)新點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)以普通功率的激光器對(duì)太赫茲波進(jìn)行高速調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)。由于組成<111>取向的應(yīng)變量子阱的兩種半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)不同，會(huì)在量子阱內(nèi)由壓電效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)垂直于量子阱方向的壓電場(chǎng)。如圖2所示，產(chǎn)生的強(qiáng)壓電場(chǎng)( IO5 V/cm)使得量子阱的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，從而導(dǎo)致光生載流子中的電子和空穴在空間上的有效分離，因此可以顯著增加光生載流子的濃度和復(fù)合壽命。據(jù)估算，光生載流子壽命可由普通GaAs塊狀材料中的幾十皮秒，延長(zhǎng)到本發(fā)明<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)中的幾十納秒。該數(shù)量級(jí)的載流子復(fù)合壽命既能夠滿足10 Mbps甚至更高調(diào)制速率的要求，同時(shí)又可以大大降低所需調(diào)制激光器的功率，甚至用普通100 mff的商用半導(dǎo)體激光器即可實(shí)現(xiàn)。
圖3是計(jì)算得到的<111>取向的銦砷鎵/砷化鎵(Ir^GiihAs/GaAs)量子阱中的壓電場(chǎng)強(qiáng)度隨h組分X的變化曲線?？梢郧逦乜闯?，通過改變應(yīng)變量子阱中的h組分， 能夠調(diào)節(jié)量子阱內(nèi)壓電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而控制光生載流子的復(fù)合壽命。
圖4是太赫茲波通過本發(fā)明的調(diào)制器的透過率隨外部激發(fā)光強(qiáng)的變化曲線。圖中可見頻率為0. 66 THz處的最大調(diào)制深度可達(dá)59 %，調(diào)制速率為10 Mbps。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于包括襯底層(1)，在該襯底層(1)上生長(zhǎng)有一緩沖層(2)，在該緩沖層(2)生長(zhǎng)有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，在該應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)(3)；所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)以上的勢(shì)壘層(4)和至少一個(gè)勢(shì)阱層(5)，所述勢(shì)阱層(5)處于兩勢(shì)壘層(4)中間，且所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)最上層和最下層都是勢(shì)壘層；所述襯底層(1)是< 111 >面取向，所述緩沖層 (2)與襯底層(1)材料相同，所述勢(shì)阱層(5)的能帶隙小于勢(shì)壘層(4)，且所述勢(shì)壘層(4)與襯底層(1)的晶格常數(shù)相同或者相差不超過0. 5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述襯底層(1)、緩沖層 (2)和勢(shì)壘層(4)材料是砷化鎵，所述勢(shì)阱層(5)材料是銦鎵砷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述襯底層(1)和緩沖層 (2 )是砷化鎵，所述勢(shì)壘層(4 )材料是鋁鎵砷，所述勢(shì)阱層(5 )材料是鎵砷磷。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘層(4)和勢(shì)阱層(5)都是< 111 >面取向，所述勢(shì)壘層(4)厚度為10 300nm，所述勢(shì)阱層(5)厚度為1 30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述緩沖層(2)厚度為 20 300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述金屬超材料結(jié)構(gòu)(3)中金屬諧振單元的厚度為0. 2 5微米，周期為20 80微米。
7.—種權(quán)利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，其特征在于包括以下步驟a、通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延技術(shù)(MOCVD)或分子束外延技術(shù)(MBE)在襯底層(1) 上生長(zhǎng)一層緩沖層(2);b、然后繼續(xù)在該緩沖層(2)上依次生長(zhǎng)<111 >面取向的勢(shì)壘層(4)、勢(shì)阱層(5)和勢(shì)壘層(4)，從而構(gòu)成< 111 >面取向的應(yīng)變單量子阱層，其中勢(shì)阱層(5)選用的材料的能帶隙小于勢(shì)壘層(4)，且所述勢(shì)壘層(4)與襯底層(1)的晶格常數(shù)相同或相差不超過0. 5% ；C、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，其特征在于所述襯底層 (1)、緩沖層(2)和勢(shì)壘層(4)均由砷化鎵構(gòu)成，所述勢(shì)阱層(5)由銦鎵砷構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法，包括襯底層，在該襯底層上生長(zhǎng)有緩沖層，在該緩沖層生長(zhǎng)有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，在該應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)；所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢(shì)阱層的能帶隙小于勢(shì)壘層，且所述勢(shì)壘層與襯底層的晶格常數(shù)的相同或相差0.5%以內(nèi)。本發(fā)明應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)具有由應(yīng)變產(chǎn)生的極強(qiáng)的壓電場(chǎng)，能夠顯著延長(zhǎng)光生載流子的復(fù)合壽命和濃度，從而極大降低對(duì)調(diào)制激光器功率的要求；通過改變InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱中In組分和量子阱寬度，可靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場(chǎng)的大小和電荷空間分離的程度，進(jìn)而方便地調(diào)節(jié)本發(fā)明調(diào)制速率。
文檔編號(hào)G02F1/017GK102520532SQ20111042733
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者叢嘉偉, 崔一平, 張 雄, 郭浩 申請(qǐng)人:東南大學(xué)