专利名称：量子阱太赫兹多波段集成相干光源芯片及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种太赫兹(THz)光源芯片及制备方法，具体是指一种量子阱结构的THz多波段集成相干光源芯片及制备方法。
背景技术：
THz辐射通常是指波长在0.3mm～30μm区间(1～10THz)的电磁辐射，其波段是介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，是一个包含了丰富的科学信息但技术上尚未成熟的波段。
物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含着丰富的物理和化学信息，如凝聚态物质的声子频率、大分子(包括蛋白质等生物分子)的振动光谱均在THz波段有很多特征峰，而且凝聚态物质和液体中的载流子对THz辐射也有非常灵敏的响应。此外，作为一种新型相干光源，THz辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如凝聚态体系中的各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、无标记生物芯片、医学诊断等等。
有关THz电磁辐射研究以及应用的前提就是THz光源，及THz辐射的产生。它也一直是THz电磁辐射研究的一个主要制约方面。在上世纪九十年代以前，由于缺乏有效的光源，人们难以进入这个领域。近年来THz光源的研究取得了较大的进展，目前THz光源主要有光导天线，量子级联激光，自由电子激光器以及电光晶体参量振荡器等。比较成熟的是基于飞秒激光激发半导体芯片产生THz光，如常用的光电导天线就是利用飞秒激光脉冲照在GaAs芯片上形成载流子加速运动来产生THz辐射。近十几年来超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激光激发光源，而芯片的设计和制备就成为了其中的关键技术。
目前，已有人利用飞秒激光激发耦合量子阱来产生THz光，这种结构的主要缺点是激发产生的THz光强度低；虽然通过改变电压能调谐其发光频率，但可调范围小，不到2THz；而且通过改变电压来调谐发光频率还会引起输出功率偏离最佳工作状态，从而无法兼顾频率的调谐和输出功率的优化，这极大地阻碍了量子阱芯片在THz光源中的应用。
根据量子阱激发产生THz光的基本原理是当一束脉冲宽度大于导带量子阱中第一和第二电子能级间距的飞秒激光照射在量子阱芯片上时，对非对称耦合量子阱而言，激光可将阱中第一空穴能级上的电子激发到窄阱量子阱的导带，激发所形成的电子波包是第一、二电子能态的叠加态。这个电子波包会在量子阱内的左右两侧来回遂穿，其振荡周期对应于第一、二能级之间的能量差别ΔE＝E--E+的倒数。波包振荡所产生的电场频率 当第一、二电子能级之间的能量差别ΔE调谐在4～40meV之间时，就能得到THz波段的光。非对称耦合量子阱的能级可设计的特点使得人们能方便地得到任意波段的THz光，这将使得量子阱芯片在THz相干光源芯片中占有独特的地位。
发明内容
基于上述已有的耦合量子阱芯片存在的问题，本发明的目的是提供一种发光强度高的，可在2-9THz波段内同时输出多个波段电磁辐射的量子阱芯片及制备方法。
本发明的技术方案是利用分子束外延技术在衬底上生长一个双势阱的单量子阱结构，使双势阱内势能结构为阶梯形且阶梯倾斜；再通过脉冲激光辐照技术对量子阱的不同区域进行不同时间的辐照，以改变不同区域的能带结构，从而改变其发光频率，得到一个高发光强度的不同发光频率的区域集成在一起的量子阱芯片。
本发明的量子阱芯片结构如图1所示，包括衬底1，在衬底1上有一与衬底牢固结合的单量子阱2，在衬底1底面有一带下电极4的金属反射层3，在单量子阱2上面有一上电极5。所说的单量子阱2是GaAs/AlGaAs，单量子阱2从衬底1方向依次由AlAs势垒层201、AlxGa1-xAs势阱层202、GaAs势阱层203和AlyGa1-yAs势垒层204组成。
本发明的量子阱芯片制备方法如下1.量子阱芯片的生长采用常规的分子束外延生长工艺，在Si衬底1上依次生长AlAs势垒层201，厚度为30～100纳米；AlxGa1-xAs势阱层202，厚度L1为10～25纳米；GaAs势阱层203，厚度L2为5～20纳米；以及AlyGa1-yAs势垒层204，厚度为30～100纳米。然后采用常规的真空蒸镀方法在衬底1底面镀上反射层并引出欧母接触的下电极4和在势垒层204上引出欧母接触的上电极5。
所说的AlyGa1-yAs势垒层中y组分为0.2-0.6。
所说的AlxGa1-xAs势阱层在生长时，将其组分X随层厚从0到Cx(Cx＝0.1～0.4)线性变化，这样可使势阱的势能结构为阶梯倾斜，见图2。
2.量子阱芯片的激光辐照辐照激光采用波长为1.064μm的Q开关Nd:YAG激光器，脉冲宽度为8ns，重复频率为10THz，脉冲能量密度为3.5mJ/mm2。
首先，根据所需要的THz波段数将量子阱芯片划分为相应的区域数，然后对各个不同的区域进行不同时间的辐照。如当将芯片划分为A、B、C、D、E、F、G、H8个区域时，见图6，则相应的辐照时间分别为0分、0.5分、1.4分、2.5分、5.2分、7分、12分、15分，其发光频率分别为2、3、4、5、6、7、8、9THz。根据图5的发光频率与辐照时间的关系，我们还可以获得2-9THz内的其它发光频率的辐射。
当脉冲激光辐照结束以后，将芯片放在真空退火炉中，炉温升至850-950℃，退火时间为55-65秒，一个量子阱THz多波段集成相干光源芯片制备完毕。
本发明的量子阱芯片的势阱势能结构设计为阶梯形是因为量子阱的发光强度与其非线性密切相关，量子阱的非线性越高，激发强度也就越高。阶梯量子阱有着较高的二阶非线性系数，因此它能获得比耦合量子阱更高的THz光强度。
采用对量子阱芯片进行激光辐照是因为脉冲激光辐照能引起量子阱内部元素(如Al、Ga)的互扩散，这会改变量子阱的势能结构，不同Al扩散长度下量子阱的势能结构如图3所示。势能结构的改变会引起量子阱第一二电子能级之间间距的改变，从而使得量子阱的发光频率也发生变化，不同扩散长度下量子阱发光频率的计算结果如图4所示扩散长度增加时，量子阱的发光频率逐渐上升。当Al的扩散长度达到3.5纳米时，量子阱的发光频率可达到9THz。所以我们就很容易地获得了2-9THz的输出频率。
但是由于量子阱的发光频率和强度与外加电压有关，只有在某一发光频率段和某一电压时，其THz光输出强度最大，此电压对该频率段的THz光为最佳工作电压，但最佳电压会常常随扩散而变化，即要获得不同频率段的THz光，需要加载不同的工作电压。而如果要在一块芯片上集成多个发光部分，各个频段都工作在最佳电压下，器件结构将极其复杂。在量子阱的设计过程中，我们发现使势阱的势能阶梯倾斜能减少最佳电压随发光频率的变化趋势减小，也就是说在AlxGa1-xAs势阱层在生长时，使其组分X随层厚从0到Cx(Cx＝0.1～0.4)线性变化，能使得最佳工作电压随THz频率段的变化很小。这种设计兼顾了THz辐射频率的调谐和最佳辐射功率的获得，从而大大地简化了器件结构。
本发明芯片的优点在于1.由于势阱的势能为阶梯形，使其具有较强的非线性，因而具有较高的发光强度。
2.利用脉冲激光辐照改变芯片发光频率，从而可以非常容易地在一块芯片上实现多个波段THz光的输出。
3.芯片的工作电压相同，从而大大简化了器件的结构。
图1量子阱芯片的结构示意图；图2量子阱的导带势能结构示意图；图3激光辐照后量子阱的导带势能结构示意图，图中实线为Al扩散长度L＝0nm时的势能结构示意图，图中虚线为Al扩散长度L＝0.5nm时的势能结构示意图，图中点划线为Al扩散长度L＝1nm时的势能结构示意图，图中点线为Al扩散长度L＝2nm时的势能结构示意图，；图4量子阱的发光频率随扩散长度的变化曲线；图5量子阱的激光辐照时间与发光频率的变化曲线；图6芯片的辐照区域划分示意图；图7不同扩散长度时量子阱的发光频率随工作电压的变化曲线。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的最佳芯片设计的具体实施方式
作详细说明在此选用通常的GaAs/AlGaAs量子阱，其结构参见图1。其可变参数包括AlxGa1-xAs势阱层的Cx组分；AlyGa1-yAs势垒层的y组分；GaAs势阱层厚L1；AlxGa1-xAs势阱层厚L2以及加在量子阱上的电压V，Cx的取值范围为0.1～0.4，y的取值范围为0.2～0.6，L1取值范围为10～25纳米；L2取值范围为5～20纳米，电压V为0～60kv/cm。
应用计算机计算语言Fortran对以下1到7步步骤进行编程计算1.循环变化参数值Cx、y、L1、L2，电压V初值为0。
2.根据第1步中给出的量子阱参数，计算其势能结构，并分别计算出其导带和价带的波函数以及能级。根据 计算出其输出频率(ΔE为导带量子阱第一二电子能级能量间距)。
3.循环变化电压值V，重复第2步计算量子阱的波函数和能级，找出输出频率最小时的最佳电压Vb。
4.计算最佳电压Vb时量子阱的THz发光强度。
5.考虑Al的不同扩散长度L时的量子阱，计算其势能结构，并找出其相应的最佳电压Vb和发光强度以及发光频率。
6.如果不同扩散长度L下，量子阱发光的最佳电压Vb相同，就将参数值Cx、y、L1、L2、Vb、L，发光强度和发光频率记录在一个文件中。返回第1步，循环变化量子阱参数进行计算。
7.在记录文件中找一个发光频率小于10THz，发光强度最大时的Cx，y，L1，L2值，即为本发明的最佳实施例。
其1到7步的参数循环过程如下Cx＝0.1Do while(Cx.lt.0.4)y＝0.2Do while(y.lt.0.6)L1＝5
Do while(L10.lt.25)L2＝5Do while(L5.lt.20)…………L2＝L2+1EnddoL1＝L1+1Enddoy＝y+0.05EnddoCx＝Cx+0.1Enddo本发明的最佳量子阱参数为Cx＝0.1，y＝0.25，AlxGa1-xAs层的厚度L1为18纳米，GaAs层的厚度L2为7纳米，工作电压为7kv/cm。
权利要求
1.一种量子阱太赫兹多波段集成相干光源芯片，包括衬底(1)，在衬底(1)上有一与衬底牢固结合的单量子阱(2)，在衬底(1)底面有一带下电极(4)的金属反射层(3)，在单量子阱(2)上面有一上电极(5)，其特征在于所说的单量子阱(2)是GaAs/AlGaAs，单量子阱(2)从衬底(1)方向依次由AlAs势垒层(201)、AlxGa1-xAs势阱层(202)、GaAs势阱层(203)和AlyGa1-yAs势垒层(204)组成。
2.一种制备权利要求1所述的量子阱太赫兹多波段集成相干光源芯片的方法，其步骤为A.量子阱芯片的生长采用常规的分子束外延生长工艺，在Si衬底(1)上依次生长AlAs势垒层(201)，厚度为30～100纳米，AlxGa1-xAs势阱层(202)，厚度L1为10～25纳米；GaAs势阱层(203)，厚度L2为5～20纳米；以及AlyGa1-yAs势垒层(204)，厚度为30～100纳米；然后采用常规的真空蒸镀方法在衬底(1)底面镀上反射层(3)并引出欧母接触的下电极(4)和在势垒层(204)上引出欧母接触的上电极(5)；其特征在于所说的AlyGa1-yAs势垒层中y组分为0.2-0.6；所说的AlxGa1-xAs势阱层在生长时，将其组分X随层厚从0到Cx线性变化，Cx＝0.1～0.4，这样可使势阱的势能结构为阶梯倾斜；B.量子阱芯片的激光辐照辐照激光采用波长为1.064μm的Q开关Nd:YAG激光器，脉冲宽度为8ns，重复频率为10THz，脉冲能量密度为3.5mJ/mm2，根据所需要的THz波段数将量子阱芯片划分为相应的区域数，然后对各个不同的区域进行不同时间的辐照；C.在脉冲激光辐照结束以后，将芯片放在真空退火炉中，炉温升至850-950℃，退火时间55-65秒。
全文摘要
本发明公开了一种量子阱太赫兹多波段集成相干光源芯片及制备方法，它是通过分子束外延技术在衬底上生长一个双势阱的单量子阱结构，使双势阱内势能结构为阶梯形且阶梯倾斜；再通过脉冲激光辐照技术对量子阱的不同区域进行不同时间的辐照，以改变不同区域的能带结构，从而改变其发光频率，得到一个高发光强度的不同发光频率的区域集成在一起的量子阱芯片。并且各区域在同一电压下工作，使得芯片的结构非常简单。
文档编号H01L33/00GK1560970SQ200410016590
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月26日 优先权日2004年2月26日
发明者陆卫, 周旭昌, 陈效双, 陈贵宾, 王少伟, 李宁, 李志锋, 陆 卫 申请人:中国科学院上海技术物理研究所