半導體太赫茲相干光源器件的製作方法

2023-04-23 13:48:31

專利名稱：半導體太赫茲相干光源器件的製作方法
技術領域：
本發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構將量子阱雷射器輸出的雷射轉換成THz輻射源。
然而，長期以來，由於沒有有效的太赫茲產生方法，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，這一波段的應用也長時間停滯不前。
現有的THz光源有幾種一.超短脈衝強雷射產生的THz脈衝輻射；二.半導體連續波THz輻射源；三.利用非線性差頻技術產生可調諧的THz輻射源；四.以自由電子和波相互作用為基礎的THz輻射源。而這些THz輻射源中只有半導體THz源為固態源，目前受到人們高度關注，其優點是體積小，適應性強，但它需要在低溫下工作，同時光電轉化效率較低。其他的THz輻射源均需要較大的系統予以支撐，對設備的小型化帶來了困難。
本發明的半導體THz輻射源器件包括激發功能塊和發光功能塊二部分。激發功能塊考慮到為減少其與發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量子阱雷射器，為了使出射雷射無損耗地進入發光部分，在其與出射光相垂直的二側蒸鍍金屬層。發光功能塊為GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱結構。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，重複30個周期組成的，其中In的組份為0.16～0.31。
本發明器件的工作原理是當GaAs/AlGaAs量子阱雷射器啟動，其射出的雷射將直接激發與其同一體的GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱價帶，由此激發出大量自由載流子到其導帶中。由於激發光的光子能量1.485eV大於GaAs和InGaAs的能帶間隙，其激發出的自由載流子將存在於勢壘能量高度以上的連續的能態上。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設計到使得從勢壘能量VB到E3的能量差(VB-E3)等於一個L0聲子的能量時，電子將被激發光激發到勢壘能量後，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E3態的高電子濃度。同樣，通過設計可使得能量從E2到E1的能量差(E2-E1)等於一個L0聲子的能量，這樣存在於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E2態的低電子濃度，成功的實現粒子數反轉，只要調整能級差E3-E2，電子就很容易通過從E3躍遷到E2能級，便可獲得相應的THz光源。
對導帶量子阱能級E3、E2和E1的設計可通過傳輸矩陣法理論計算能級結構來實現。我們定義量子阱生長方向為z軸，z軸零點位於第一個量子阱勢壘的中心，垂直生長方向為xy平面。由於xy平面的平移對稱性，又由於z方向量子阱的周期性，量子阱中的局域態可以寫為器件在z方向的勢函數為jk(r)=j(z)ei(kxx+kyy)---(1)]]>其中j＝1，2，3，…，N，代表不同的能態，k＝(kx，ky)和x，y分別為xy平面的波矢和矢量；u(r)eikb為周期調製的平面波函數；Ψj(z)是滿足薛定鄂方程的包絡函數。 其中m*為材料中電子的有效質量，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構，通過採用不同的In組分、阱寬和壘寬結構參數，我們便可以設計能級在滿足能級差E2-E1和能級差VB-E3等於一個L0聲子的同時，使能級差E3-E2等於設計的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構參數下的THz光源波長。按照這些參數，利用分子束薄膜生長的成熟工藝即可製備出THz光源器件。
本發明的THz光源器件的優點如下1.由於激發部分和發光部分是通過薄膜技術集成為一體，因此，激發部分的出射雷射將被有效地耦合到介電函數較為匹配的發光部分，這樣發光效率實際上是內量子效率，通常意義上內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換對功率的損耗，大大提高了激發光的效率。
2.由於GaAs/InGaAs耦合量子阱結構和GaAs/AlGaAs量子阱雷射器可以很好地集成在一起，比如通過分子束外延生長，因此它的製備工藝十分簡單且成熟。
3.由於本發明是利用材料固有的L0聲子實現粒子數反轉，器件不但可以在常溫下工作，而且GaAs/InGaAs耦合量子阱結構中無需摻雜，比通常的耦合量子阱結構工藝簡單，同時無摻雜的量子阱結構也更容易調控能帶結構。
其製備工藝如下首先按

圖1中所示的激發功能塊的結構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。
然後在上電極層105上按表1中的某一組數據依次以GaAs層、InxGa1-xAs、GaAs和InxGa1-xAs為一個周期，重複生長30個周期，製成發光功能塊2。
再用光刻方法在激發功能塊1的襯底102背面刻出兩條3um的電極窗口，然後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。在激發功能塊的側面鍍上Cu金屬層101，一個半導體THz輻射源器件製備完畢。
表1.本發明器件的發光功能塊的結構參數與發光頻率

權利要求
1.一種半導體THz輻射源器件包括激發功能塊(1)和發光功能塊(2)二部分，其特徵在於激發功能塊(1)為840nm-850nm波段的GaAs/AlGaAs量子阱雷射器，並在其與出射光相垂直的二側蒸鍍金屬層(101)；發光功能塊(2)為GaAs/InxGa1-xAs耦合量子阱結構，二大功能塊通過分子束外延集成為一體。
2.根據權利要求1的一種半導體THz輻射源器件，其特徵在於所說的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，重複30個周期組成的，其中In的組份為0.16～0.31。
全文摘要
本發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構將量子阱雷射器輸出的雷射轉換成太赫茲輻射源。器件包括激發功能塊和發光功能塊二部分。其特徵是激發功能塊選用工藝上已非常成熟的GaAs/AlGaAs量子阱雷射器，發光功能塊為GaAs/InGaAs耦合量子阱結構。二大功能塊通過分子束外延集成為一體。本發明的器件的最大優點是由於激發部分和發光部分是通過薄膜技術集成為一體，因此，激發部分的出射雷射將被有效地耦合到發光部分，這樣發光效率實際上是內量子效率，大大提高了激發光的效率。而且它的製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 優先權日2003年6月26日
發明者陸衛, 江俊, 陳效雙, 李寧, 李志鋒, 季亞林, 陸 衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所