專利名稱：半導體太赫茲相干光源器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體太赫茲相干光源器件，具體是指利用耦合量子阱結(jié)構(gòu)將量子阱激光器輸出的激光轉(zhuǎn)換成THz輻射源。
然而，長期以來，由于沒有有效的太赫茲產(chǎn)生方法，缺乏輕便的、低功耗的、固體的THz光源，人們對THz波段電磁輻射的性質(zhì)的了解非常有限，以致該波段被稱為電磁波中的空隙，這一波段的應(yīng)用也長時間停滯不前。
現(xiàn)有的THz光源有幾種一.超短脈沖強激光產(chǎn)生的THz脈沖輻射；二.半導體連續(xù)波THz輻射源；三.利用非線性差頻技術(shù)產(chǎn)生可調(diào)諧的THz輻射源；四.以自由電子和波相互作用為基礎(chǔ)的THz輻射源。而這些THz輻射源中只有半導體THz源為固態(tài)源，目前受到人們高度關(guān)注，其優(yōu)點是體積小，適應(yīng)性強，但它需要在低溫下工作，同時光電轉(zhuǎn)化效率較低。其他的THz輻射源均需要較大的系統(tǒng)予以支撐，對設(shè)備的小型化帶來了困難。
本發(fā)明的半導體THz輻射源器件包括激發(fā)功能塊和發(fā)光功能塊二部分。激發(fā)功能塊考慮到為減少其與發(fā)光功能塊材料的晶格失配，選用工藝上已非常成熟的出射光為840nm-850nm波段的GaAs/AlGaAs量子阱激光器，為了使出射激光無損耗地進入發(fā)光部分，在其與出射光相垂直的二側(cè)蒸鍍金屬層。發(fā)光功能塊為GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱結(jié)構(gòu)。二大功能塊通過分子束外延集成為一體。
所說的GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱是依次由厚度為30nm的GaAs、厚度為9.0～30.0nm的InxGa1-xAs、厚度為5.0～15.0nm的GaAs和厚度為5.5～14.0nm的InxGa1-xAs為一個周期，重復30個周期組成的，其中In的組份為0.16～0.31。
本發(fā)明器件的工作原理是當GaAs/AlGaAs量子阱激光器啟動，其射出的激光將直接激發(fā)與其同一體的GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱價帶，由此激發(fā)出大量自由載流子到其導帶中。由于激發(fā)光的光子能量1.485eV大于GaAs和InGaAs的能帶間隙，其激發(fā)出的自由載流子將存在于勢壘能量高度以上的連續(xù)的能態(tài)上。我們知道，GaAs和InGaAs材料中存在著GaAs類的LO聲子和InAs類的L0聲子，它們的能量分別為290.98-19.0x-31.05x2meV和230.29+5.11x+2.15x2meV，其中x為InxGa1-xAs層中In的摩爾組分。當將In的摩爾組分x設(shè)計到使得從勢壘能量VB到E3的能量差(VB-E3)等于一個L0聲子的能量時，電子將被激發(fā)光激發(fā)到勢壘能量后，L0聲子將會通過晶格振動迅速把電子從勢壘上拉到勢阱中的能級E3上，從而實現(xiàn)E3態(tài)的高電子濃度。同樣，通過設(shè)計可使得能量從E2到E1的能量差(E2-E1)等于一個L0聲子的能量，這樣存在于E2的電子也很容易通過L0聲子輔助躍遷到能級E1中，從而實現(xiàn)E2態(tài)的低電子濃度，成功的實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，只要調(diào)整能級差E3-E2，電子就很容易通過從E3躍遷到E2能級，便可獲得相應(yīng)的THz光源。
對導帶量子阱能級E3、E2和E1的設(shè)計可通過傳輸矩陣法理論計算能級結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。我們定義量子阱生長方向為z軸，z軸零點位于第一個量子阱勢壘的中心，垂直生長方向為xy平面。由于xy平面的平移對稱性，又由于z方向量子阱的周期性，量子阱中的局域態(tài)可以寫為器件在z方向的勢函數(shù)為Ψjk(r)=ψj(z)ei(kx·x+ky·y)---(1)]]>其中j＝1，2，3，…，N，代表不同的能態(tài)，k＝(kx，ky)和x，y分別為xy平面的波矢和矢量；u(r)eikb為周期調(diào)制的平面波函數(shù)；Ψj(z)是滿足薛定鄂方程的包絡(luò)函數(shù)。 其中m*為材料中電子的有效質(zhì)量，V為量子阱的電勢分布，如圖2所示。利用傳輸矩陣法我們便可以得到E3、E2和E1的值。理論和實驗都表明，InGaAs勢阱中的In組分以及耦合量子阱的阱寬和壘寬決定了材料導帶的能級結(jié)構(gòu)，通過采用不同的In組分、阱寬和壘寬結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們便可以設(shè)計能級在滿足能級差E2-E1和能級差VB-E3等于一個L0聲子的同時，使能級差E3-E2等于設(shè)計的THz光源光子的能量。如圖3和表1所示，其中列舉了一些在典型組分下不同阱寬和壘寬結(jié)構(gòu)參數(shù)下的THz光源波長。按照這些參數(shù)，利用分子束薄膜生長的成熟工藝即可制備出THz光源器件。
本發(fā)明的THz光源器件的優(yōu)點如下1.由于激發(fā)部分和發(fā)光部分是通過薄膜技術(shù)集成為一體，因此，激發(fā)部分的出射激光將被有效地耦合到介電函數(shù)較為匹配的發(fā)光部分，這樣發(fā)光效率實際上是內(nèi)量子效率，通常意義上內(nèi)量子效率是外量子效率的5倍以上，因此完全避免了光電轉(zhuǎn)換對功率的損耗，大大提高了激發(fā)光的效率。
2.由于GaAs/InGaAs耦合量子阱結(jié)構(gòu)和GaAs/AlGaAs量子阱激光器可以很好地集成在一起，比如通過分子束外延生長，因此它的制備工藝十分簡單且成熟。
3.由于本發(fā)明是利用材料固有的L0聲子實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，器件不但可以在常溫下工作，而且GaAs/InGaAs耦合量子阱結(jié)構(gòu)中無需摻雜，比通常的耦合量子阱結(jié)構(gòu)工藝簡單，同時無摻雜的量子阱結(jié)構(gòu)也更容易調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)。
其制備工藝如下首先按

圖1中所示的激發(fā)功能塊的結(jié)構(gòu)用分子束外延生長工藝依次在n+-GaAs襯底102上生長下電極層103、波導層及量子阱層104、上電極層105。
然后在上電極層105上按表1中的某一組數(shù)據(jù)依次以GaAs層、InxGa1-xAs、GaAs和InxGa1-xAs為一個周期，重復生長30個周期，制成發(fā)光功能塊2。
再用光刻方法在激發(fā)功能塊1的襯底102背面刻出兩條3um的電極窗口，然后用化學腐蝕方法分別腐蝕至上下電極層，即圖1中所示的p-AlGaAs層和n-AlGaAs層。在p-AlGaAs面濺射Ti/Pt/Au，在n-AlGaAs面蒸發(fā)AuGeNi/Au作為歐姆接觸電極，再對電極進行合金，引出電極。在激發(fā)功能塊的側(cè)面鍍上Cu金屬層101，一個半導體THz輻射源器件制備完畢。
表1.本發(fā)明器件的發(fā)光功能塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)與發(fā)光頻率

權(quán)利要求
1.一種半導體THz輻射源器件包括激發(fā)功能塊(1)和發(fā)光功能塊(2)二部分，其特征在于激發(fā)功能塊(1)為840nm-850nm波段的GaAs/AlGaAs量子阱激光器，并在其與出射光相垂直的二側(cè)蒸鍍金屬層(101)；發(fā)光功能塊(2)為GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱結(jié)構(gòu)，二大功能塊通過分子束外延集成為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種半導體THz輻射源器件，其特征在于所說的GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱是依次由厚度為30nm的GaAs、厚度為9.0～30.0nm的InxGa1-xAs、厚度為5.0～15.0nm的GaAs和厚度為5.5～14.0nm的InxGa1-xAs為一個周期，重復30個周期組成的，其中In的組份為0.16～0.31。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導體太赫茲相干光源器件，它是利用耦合量子阱結(jié)構(gòu)將量子阱激光器輸出的激光轉(zhuǎn)換成太赫茲輻射源。器件包括激發(fā)功能塊和發(fā)光功能塊二部分。其特征是激發(fā)功能塊選用工藝上已非常成熟的GaAs/AlGaAs量子阱激光器，發(fā)光功能塊為GaAs/InGaAs耦合量子阱結(jié)構(gòu)。二大功能塊通過分子束外延集成為一體。本發(fā)明的器件的最大優(yōu)點是由于激發(fā)部分和發(fā)光部分是通過薄膜技術(shù)集成為一體，因此，激發(fā)部分的出射激光將被有效地耦合到發(fā)光部分，這樣發(fā)光效率實際上是內(nèi)量子效率，大大提高了激發(fā)光的效率。而且它的制備工藝十分簡單且成熟。器件達到了小型化，使用方便的目的。
文檔編號H01S5/343GK1471207SQ03129509
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者陸衛(wèi), 江俊, 陳效雙, 李寧, 李志鋒, 季亞林, 陸 衛(wèi) 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所