一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构,至少包括：半导体超晶格器件；该半导体超晶格器件设有衬底及位于其上且由势垒和势阱交替堆叠而成的周期性结构；位于该周期性结构上的重掺杂接触层及该重掺杂接触层上的上电极；与该半导体超晶格器件构成闭合回路的电阻、施加于超晶格生长方向的太赫兹波及施加于垂直于超晶格生长方向的磁场。将太赫兹波耦合进超晶格实现了对电子运动状态的调控。在太赫兹场和磁场作用下，通过测量超晶格外电路的电流或者电阻两端的电压得到超晶格微带电子的运动状态。本发明的器件结构工艺简单，可以很方便的实现对超晶格体系中电子运动状态的调制。
【专利说明】-种由太赫兹波调控的超晶格器件结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹光电器件技术，特别是涉及一种由太赫兹波调控的超晶格 器件结构。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（ter址ertz，T化，口化=10口化）波通常是指频率在0. 1-lOTHz，相应的波 长从3mm到30 ym范围内，位于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波。由于其自身 独特的物理性质，太赫兹波在高速通信、物质检测和频谱分析等方面具有广阔的应用前景， 太赫兹科学技术已成为对现代科学技术、国民经济和国防建设有重要影响的前沿学科。
[0003] 太赫兹光子能量很低，频率为iraz的电磁波能量约为4meV。半导体超晶格的特征 能量，如微带宽度、带隙、费米能级、等离子体振荡频率、Bloch振荡频率等都处于太赫兹光 子能量范围。因此，太赫兹波与半导体超晶格微结构的相互作用能够显示出许多有趣的物 理现象和丰富的物理内涵，如T化福照下载流子吸收、T化诱导的多光子共振隧穿W及多光 子磁声子共振等。
[0004] 近年来，半导体超晶格中的混沛现象引起了人们的关注。理论研究发现，在太赫兹 波和磁场共同作用下，半导体超晶格中的电子表现出周期、准周期W及混沛等不同的状态。 该些不同的电子动力学性质受到太赫兹波的振幅、磁感应强度等参数的控制。通过改变太 赫兹波的振幅，电子的动力学性质就可能会发生改变，因而可W利用太赫兹波调控超晶格 微带电子的运动状态。
【发明内容】
[0005] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种由太赫兹波调控的超 晶格器件结构，用于解决现有技术中超晶格器件中电子运动状态得不到有效调制的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种由太赫兹波调控的超晶格器件 结构，所述器件结构至少包括：半导体超晶格器件；所述半导体超晶格器件至少包括：衬底 及位于该衬底上且由势垒和势阱交替堆叠构成的周期性结构；位于所述周期性结构上表面 的重惨杂接触层W及位于该重惨杂接触层上表面的上电极；位于所述衬底上的下电极；所 述器件结构还包括：连接于所述半导体超晶格器件上、下电极且与所述半导体超晶格器件 构成闭合回路的电阻、施加于所述半导体超晶格器件中超晶格生长方向的太赫兹波W及施 加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。
[0007] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述势垒由 Al,3Ga".,As构成；所述势阱由GaAs构成；所述周期性结构的周期数为100。
[0008] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结 构为N型惨杂结构，并且所述周期性结构两端的惨杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度渐 变。
[0009] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结 构在靠近衬底处的惨杂浓度在超晶格生长方向上呈递减。
[0010] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结 构在靠近上电极处的惨杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。
[0011] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述势垒的宽 度为2. 8皿；所述势阱的宽度为6. 2皿。
[0012] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述衬底和所 述重惨杂接触层为n -GaAso
[0013] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述上电极和 所述下电极为Au-Ge-Ni合金。
[0014] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述半导体超 晶格器件的微带宽度为22meV〇
[0015] 作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述衬底 的惨杂浓度为2Xl〇i 8cnT3;所述半导体超晶格器件除去两端的中央区域的惨杂浓度为 lXl〇i4cm-3。
[0016] 如上所述，本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，具有W下有益效果；本发 明设计了一种半导体超晶格器件结构，提出了将太赫兹波禪合进超晶格实现对电子动力学 调控的实施方案。由于电子电流密度与Z方向运动速度成正比，测量到的电流密度可W反 映超晶格内微带电子的运动状态。外加太赫兹福射可W采用二氧化碳激光器作为粟浦源激 励N&气体产生，同时在超晶格器件上施加磁场。在太赫兹场和磁场作用下，可W通过测量 超晶格外电路的电流或者测量外电路串联电阻两端的电压来得到超晶格微带电子的运动 状态。在电流比较微弱的情况下还可W采用低噪声电流/电压放大器将信号放大后进行测 量，采用本发明的由太赫兹调控的超晶格器件结构其结构和制作工艺简单，可W方便、直观 且准确的调制超晶格体系中电子运动状态，克服了 W往超晶格体系电子调控手段复杂，制 作工作繁琐的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1显示为本发明的半导体超晶格器件在电场和磁场共同作用下的电路示意图。 [001引 图2显示为本发明中归一化频率《= 0. 736(a)、1. 201(b)和1. 52(c)时，电子平 均速度uj迫时间的演化。
[0019] 图3显示为本发明的GaAs/Alu.3Gau.7As超晶格器件最低微带的能量色散关系。
[0020] 图4显示为本发明的GaAs/AlnjGanjAs超晶格器件结构图。
[0021] 元件标号说明
[0022] 01 半导体超晶格器件
[0023] 02 电阻
[0024] 10 衬底
[00巧]11 周期性结构
[0026] 110 势垒
[0027] 111 势阱
[0028] 12 重惨杂接触层
[002引 13 上电极
[0030] 14 下电极
【具体实施方式】
[0031] W下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所掲露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可W通过另外不同的具体实 施方式加W实施或应用，本说明书中的各项细节也可W基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0032] 请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅W示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0033] 如图1所示，图1显示的是本发明的半导体超晶格器件01在电场和磁场共同作用 下的电路示意图。本发明的所述由太赫兹波调控的超晶格器件结构至少包括：半导体超晶 格器件01、电阻02 W及施加于所述半导体超晶格器件01中超晶格生长方向的太赫兹波W 及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。其中，如图1所示，所述电阻02连接于所述 半导体超晶格器件01的两端并与所述半导体超晶格器件01构成闭合回路。
[0034] 如图4所示，本实施例中，所述半导体超晶格器件01包括衬底10及位于该衬底10 上的周期性结构11，位于所述周期性结构11上表面的重惨杂接触层12 W及位于该重惨杂 接触层12上表面的上电极13 ;位于所述衬底10上的下电极14。图1中，所述器件结构还 包括：连接于所述半导体超晶格器件01上、下电极14且与所述半导体超晶格器件01构成 闭合回路的电阻02、施加于所述半导体超晶格器件01中超晶格生长方向的太赫兹波W及 施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场，本实施例中将水平向右的方向规定为Z方向， 也是超晶格生长的方向；规定垂直纸面向里的方向为X方向，也是所施加的磁场B的方向； 规定竖直向上的方向为y方向；其中太赫兹场的方向沿所述超晶格生长的方向。本发明中 的所述构成所述周期性结构11由如图4所示的势垒110和势阱111交替堆叠构成；优选 地，所述势垒110由Ala.sGa。,As构成；所述势阱111由GaAs构成；本实施例中，所述周期性 结构11的周期数为100。进一步优选地，所述周期性结构11为N型惨杂结构，并且所述周 期性结构11两端的惨杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度渐变。本实施例中，所述周期性结 构11两端的惨杂浓度在超晶格生长方向上呈递减，或者所述周期性结构11两端的惨杂浓 度在超晶格生长方向上呈递增。进一步优选地，所述周期性结构在靠近衬底处的惨杂浓度 在超晶格生长方向上呈递减。或者，所述周期性结构在靠近上电极处的惨杂浓度在超晶格 生长方向上呈递增。
[00巧]本发明中，优选地，所述势垒110的宽度为2. 8皿；所述势阱111的宽度为6. 2皿。 并且，所述衬底10和所述重惨杂接触层12为n+-GaAs。本实施例中，所述上电极13为 Au-Ge-Ni合金；所述下电极14也为Au-Ge-Ni合金。并且，所述半导体超晶格器件01的微 带宽度为22meV。本发明中，优选地，所述衬底10的惨杂浓度为2Xl〇i 8cnT3;所述半导体超 晶格器件01除去两端的中央区域的惨杂浓度为lXl〇i4cnT3。
[0036] 本发明的所述由太赫兹波调控的超晶格器件结构的工作原理如下：
[0037] 如图1所示，所施加的太赫兹场沿着超晶格生长方向（图1中的z轴方向），磁场方 向垂直于超晶格生长方向（磁场方向垂直纸面向里）。电子在电场作用下（太赫兹波场）沿 着超晶格生长方向运动，其能量色散关系为
【权利要求】
1. 一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于，所述器件结构至少包括： 半导体超晶格器件；所述半导体超晶格器件至少包括：衬底及位于该衬底上且由势垒 和势阱交替堆叠构成的周期性结构；位于所述周期性结构上表面的重掺杂接触层以及位于 该重掺杂接触层上表面的上电极；位于所述衬底上的下电极； 所述器件结构还包括：连接于所述半导体超晶格器件上、下电极且与所述半导体超晶 格器件构成闭合回路的电阻、施加于所述半导体超晶格器件中超晶格生长方向的太赫兹波 以及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。
2. 根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述势垒 由AluGauAs构成；所述势讲由GaAs构成；所述周期性结构的周期数为100。
3. 根据权利要求2所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期 性结构为N型掺杂结构，并且所述周期性结构两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度 渐变。
4. 根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期 性结构在靠近衬底处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递减。
5. 根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期 性结构在靠近上电极处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。
6. 根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述势垒 的宽度为2. 8nm ;所述势阱的宽度为6. 2nm。
7. 根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述衬底 和所述重掺杂接触层为n+-GaAs。
8. 根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述上电 极和所述下电极为Au-Ge-Ni合金。
9. 根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述半导 体超晶格器件的微带宽度为22meV。
10. 根据权利要求4或5所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述 衬底的掺杂浓度为2X 1018cnT3;所述半导体超晶格器件除去两端的中央区域的掺杂浓度为 1 X 1014cm 3。
【文档编号】H01L31/036GK104485368SQ201410801990
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】王长, 曹俊诚 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所