专利名称：太赫兹和吉赫兹固态微型分光计的制作方法
技术领域：
背景技术：
近来科学和技术的各种领域对在吉赫兹(GHz)-太赫兹(THz)频率范围中存在的电磁频谱区域的兴趣逐渐增加。部分地，这样的兴趣由GHz-THz辐射的独特性质导致，该独特性质使这样的辐射可用于大量有用应用。太赫兹辐射是不电离的，并因此不同于X射线，它对生物组织和DNA无害。另外，大多数生物和化学试剂在THz区域中具有共振吸收谱线。因此，不同的人类和其它生物组织的准确且安全的体层照相术可以实现。因为太赫兹辐射可以穿透纤维和塑料，所以它可以用于安全性应用，例如筛查隐藏的武器。THz辐射的高频性质使得可能在较高频的计算机和高海拔通信系统中利用它。同样，太赫兹感测和成像可以用于制造、质量控制和过程监控领域中许多应用。这些应用一般利用塑料、纸板和其它包装材料对太赫兹辐射是透明的性质，并由此使其能够检查包装的产品。相似地，THz辐射可用于从亚毫米和毫米天文学研究到固态研究的各种领域中的科学研究。
发明内容
以下是本发明的图解实施例的概要描述。它作为帮助本领域技术人员更迅速理解详细设计讨论的前言被提供，但不意图以任何方式限制附加到这里以便特别指出本发明的权利要求的保护范围。本发明基于在美国专利申请N0.12/247,096中描述并要求的技术和发明，该申请包括在此作为参考。在下文中公开的实施例利用本发明，本发明基于在容纳具有至少一个合并缺陷的可调谐载流子层的固态系统中等离子体激元(Plasmons)的谐振激励，提供新的快速、微型的电磁辐射分光计。取决于其中谐振等离子体激元激励发生的空腔的大小，装置的操作频率可以跨越从约IGHz到约IOTHz的范围。载流子层的可调谐性可以由以下层参数中的至少一个的可控制摆动来实现:载流子密度、介电环境、施加的磁场、有效载流子质量，以及等离子体激元空腔的大小。装置可以包含一个或更多可调谐固态系统，该可调谐固态系统的每个都包括具有至少一个故意合并缺陷的至少一个载流子层(电子或空穴)，以及电气连接到所述层或多个层的至少两个电位触点。为实现所述可调谐性，设备必须也包括用于上面列出的载流子层参数中的一个或更多的可控制调谐的工具。“缺陷”可以包含引入到二维电荷层(其在美国专利申请N0.12/247,096中详细描述)的任何不均匀性。入射辐射的频谱可以响应可调谐参数的调整经装置的分析计算。因为频率敏感的实时矩阵相机的小尺寸(正常约几微米)和完全没有任何活动部件或组件，所以该相机可以基于公开的基础分光计元件实施。在此描述的实施例的操作可以依靠以下原理:1.入射辐射耦合到电位探针和/或载流子层和/或天线结构，由此在交变电位上感应它们。2.交变电位感应在可调谐等离子体激元空腔中传播并谐振的等离子体波。空腔代表受边界约束的晶体上的区域，在该边界上等离子体激元扩散经历阶段。空腔可以由它的参数(例如载流子密度)中至少一个的连续可控调整(即摆动)来调谐。3.在装置里面的振荡等离子体激元电场由装置的非线性特性整流，在不同对的电位探针之间导致DC响应。非线性装置行为由至少一个缺陷的存在导致(如在美国专利申请N0.12/247,096中详细描述)。4.作为调谐参数的函数的装置响应/信号的检测产生充足数据从而计算入射辐射的频谱。
图1是其中等离子体激元空腔由背栅调谐的可替换实施例的侧视图；图2是图1的装置的顶视图；图3是其中等离子体激元空腔由放置在介电层上的顶栅调谐的可替换实施例的侧视图；图4是图3的装置的顶视图；图5是其中等离子体激元空腔由直接放置在结构顶部上的栅极调谐的可替换实施例的侧视图；图6是图5的装置的顶视图；图7是其中任意形状的一系列等离子体激元空腔调谐的可替换实施例的侧视图；图8是图7的装置的顶视图；图9是其中整流缺陷离开等离子体激元空腔放置的可替换实施例的侧视图；图10是图9的装置的顶视图；图11是其中等离子体激元空腔的可调谐性通过使它的介电环境摆动来实施的可替换实施例的侧视图；图12是其中等离子体激元空腔的可调谐性通过使磁场摆动来实施的可替换实施例的侧视图；图13是其中等离子体激元空腔的可调谐性通过调整空腔的大小来实现的可替换实施例的侧视图；图14是具有将入射辐射有效耦合到等离子体激元空腔的天线的可替换实施例的侧视图；图15示出作为电子密度的函数，并且对于不同辐射频率的辐射感应光电压的实验测量相关性。等离子体激元空腔的大小L=400 μ m ；图16示出作为电子密度的函数，并且对于不同辐射频率的辐射感应光电压的实验测量相关性。等离子体激元空腔的大小L=IOO μ m ；图17 (底部部分)示出作为电子密度的函数，并且对于磁场不同量值的辐射感应光电压的实验测量相关性。图17 (顶部部分)示出作为电子密度的函数，并且对于磁场不同量值的辐射感应光电压的实验测量相关性；图18为图3和4的装置的图解实施例展示辐射感应光电压信号；图19是分光计响应对开尔文温度(K)的图表，并图解提出的方法在高于液氮沸点的温度的可行性。
具体实施例方式低维载流子层中的集合等离子体激励数十年来引起研究者和工程师的兴趣。另一方面，兴趣由等离子体波的过剩效应导致，从科学角度对该效应感兴趣。通过合适设计等离子体激元空腔的几何形状和参数，可能在特定太赫兹区域中实现空腔的等离子体频率。等离子体激元的基本特性是频率和波向量。它们通过扩散关系相互涉及。二维载流子层中的等离子体波以下面形式支配扩散:
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权利要求
1.一种分光计设备,包含: 固态结构，所述固态结构经配置接收入射电磁辐射，所述入射电磁辐射具有作为特征的频谱；其中所述结构具有可调谐载流子层，所述可调谐载流子层具有作为特征的多个参数； 在所述可调谐载流子层中的至少一个等离子体激元空腔； 在所述可调谐载流子层中的至少一个缺陷； 到所述可调谐载流子层的至少第一触点和第二触点，所述触点被设置在所述可调谐载流子层并以一距离隔开； 测量装置，所述测量装置用于测量所述固态结构对所述入射电磁辐射的响应，其中所述响应在所述第一和第二触点之间测量，并且其中所述响应提供关于所述入射电磁辐射的所述频谱的信息；以及 可控制调谐装置，所述可控制调谐装置用于所述多个参数中的至少一个的调谐。
2.一种用于测量电磁辐射频谱的方法，所述方法包含以下步骤: 提供固态结构，所述固态结构具有可调谐载流子层，所述可调谐载流子层具有至少一个缺陷和至少一个等离子体激元空腔，其中所述载流子层具有作为特征的多个参数； 接收入射电磁辐射，所述入射电磁辐射具有作为特征的第一频谱和能量； 引导所述入射电磁辐射到所述固态结构上； 使所述入射电磁辐射的所述能量转换为至少一个等离子体波的能量，所述等离子体波具有作为特征的电磁场，并且 所述等离子体波以第二频率振荡并在所述等离子体激元空腔的至少一个中传播； 通过使用与所述等离子体激元电磁场有关的所述缺陷中的至少一个的非线性响应生成信号； 调整所述可调谐载流子层的所述参数中的至少一个； 在至少一个所述参数的不同值对所述信号进行多个测量； 确定至少一个所述参数和所述信号的值之间的关系；以及 基于所述关系确定所述入射电磁辐射的所述第一频谱。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述响应形成光电压。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述响应形成光电流。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述响应形成光电容。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述响应形成光电感。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述响应形成光电阻。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的载流子密度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的介电环境。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述可调谐参数是源自独立源的磁场的强度，所述磁场穿透所述载流子层。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的有效载流子质量。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述可调谐参数是所述等离子体激元空腔的大小。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个缺陷实施为以下中的一个:蚀刻区域、载流子密度不均匀性、约束或扩张、金属层(例如在结构上淀积)、掺杂、载流子迁移率缺陷、介质环境缺陷、结构缺陷。
14.根据权利要求1所述的设备，其中多个在空间中周期性排列的调谐等离子体激元空腔引入所述载流子层。
15.根据权利要求1所述的设备，其中多个在空间中非周期性排列的调谐等离子体激元空腔引入所述载流子层。
16.根据权利要求1所述的设备，其中除所述第一触点和所述第二触点之外提供到所述载流子层的多个另外触点。
17.根据权利要求1所述的设备，其中多于一个分光计以单独固态结构实施。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态结构包含GaAs/AlGaAs异质结构，其中Ga是嫁，As是神，以及Al是招。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态结构包含以下结构中的一个:SiMOSFET结构、InAs结构或Si/Ge结构，其中Si是硅，In是铟，As是砷，以及Ge是锗。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层以单量子势井的形式实现。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层以双量子势井的形式实现。
22.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层以含有多个量子势井的超点阵的形式实现。
23.根据权利要求1所述的设备，其中所述载流子层以异质结的形式实现。
24.根据权利要求1所述的设备，其中允许所述载流子层中的载流子可以在多于一个维度内移动。
25.根据权利要求1所述的设备，其中通过透镜、喇叭透镜和波导中的至少一个引导所述入射辐射到所述固态结构上。
26.根据权利要求1所述的设备，进一步包含用于冷却所述固态结构的装置。
27.根据权利要求2所述的方法，其中所述缺陷中的至少一个作为到所述等离子体激元空腔的边界和整流器。
28.根据权利要求2所述的方法，其中整流缺陷离开所述至少一个等离子体激元空腔设置。
29.根据权利要求2所述的方法，其中所述信号是光电压值。
30.根据权利要求2所述的方法，其中所述信号是光电流值。
31.根据权利要求2所述的方法，其中所述信号是光电容值。
32.根据权利要求2所述的方法，其中所述信号是光电感值。
33.根据权利要求2所述的方法，其中所述信号是光电阻值。
34.根据权利要求2所述的方法，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的载流子密度。
35.根据权利要求2所述的方法，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的介电环境。
36.根据权利要求2所述的方法，其中所述可调谐参数是源自独立源的磁场的强度，所述磁场穿透所述载流子层。
37.根据权利要求2所述的方法，其中所述可调谐参数是所述载流子子层的有效载流子质量。
38.根据权利要求2所述的方法，其中所述可调谐参数是所述等离子体激元空腔的大小。
全文摘要
本发明涉及一种高速微型太赫兹和吉赫兹电磁辐射片上分光计，该分光计包含具有并入单独或多个缺陷的可调谐固态2D载流子层或准2D载流子层、到载流子层的至少第一和第二触点。同样该装置包括用于在第一和第二触点之间测量装置响应的设备，以及用于载流子层参数中至少一个的可控制调谐的设备。操作原理基于不同波长的辐射在载流子层中激励不同组等离子体模式的事实。
文档编号G01V3/17GK103097916SQ201080063645
公开日2013年5月8日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月10日
发明者I·库库斯金, V·穆拉维约夫 申请人:特拉辛斯集团公司