专利名称：一种可调谐超晶格振荡器的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种一种可调谐超晶格振荡器的实现方法，更确切地说涉及一 种利用磁场和电场对电场畴的控制来实现超晶格振荡器振荡频率的调节。该 方法在研制基于半导体超晶格的可调谐振荡器方面有潜在的应用价值。
背景技术：
半导体超晶格[L. Esaki and R. Tsu， IBM J. Res. Dev. 14， 61 (1970)]是由两
种晶格匹配的半导体材料通过交替生长形成的周期性半导体结构。在超晶格 的生长方向上，如果势垒较窄，各量子阱的束缚能级之间耦合较强就会形成 微带。在电场作用下，电子在微带内加速运动到布里渊区边界时，电子具有 负有效质量，电子的漂移速度将会随电场的增加而减小，出现负阻现象，这 一现象在实验[A. Sibille, J. F. Palmier, H. Wang， and R Mollot, Phys. Rev. Lett, 64, 52 (1990)〗和理论[X. L. Lei, N. J. M. Horing, and H. L. Cui, Phys. Rev, Lett. 66,3277(1991).]上都得到了证实。这是半导体微带超晶格中负微分电阻现象 产生的根源。
还有一类半导体超晶格，其中的势垒较宽，各量子阱的束缚能级之间没 有耦合或者耦合较弱，这样，电子分布在量子阱中的各个分立能级上。在电 场作用下，如果相邻两个量子阱中的子带能级对齐时，电子将很容易的从一 个量子阱隧穿进入沿电场方向的相邻量子阱，从而形成隧穿电流。因此，这 种弱耦合的超晶格也被称为共振隧穿超晶格。长期以来，利用半导体超晶格 中电子运动来产生微波甚至太赫兹波频段的电磁辐射是人们研究的热点。
弱耦合超晶格中电流振荡现象在实验上已经报道[H. T. Grahn, R. J. Haug, W. Muller, and K. Ploog， Phys. Rev. Lett 67, 1618 (1991).]，后来随着半导体生 长技术和光电测量技术的发展，人们在磁场存在的情况下也观察到了电流振 荡现象，这一报道可以参见B. Sun, J. Wang, W. Ge， Y. Wang, D. Jiang, H. Zhu， H. Wang， Y. Deng, and S. Feng, "Current self-oscillation induced by a transverse magnetic field in a doped GaAs/AlAs superlattice", Phys. Rev. B 60, 8866(1999)。在实验报道中，磁场存在的条件下若耦合超晶格中电流振荡的频率 约为1 GHz。
目前实验和理论上都没有关于磁场和电场条件下实现可以连续调谐的超 晶格振荡器的研究报道，本发明拟利用磁场和电场对电场畴的控制实现超晶 格振荡器振荡频率的调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调谐振超晶格荡器的实现方法，其特征在 于利用磁场和电场实现可调谐超晶格振荡器的方法，也即给出一种利用外加 磁场和电场调控超晶格振荡器中电流振荡模式和振荡频率，同时电流振荡频 率得到进一步提高。本发明所涉及的超晶格振荡器是基于载流子的共振隧穿 机制的弱耦合超晶格。在外加偏压下，这种势垒宽度较大的弱耦合11+-11-11+型 GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs超晶格中能够形成随时间和空间变化的周期性的 动态电场畴，在外电路中能够观察到持续的电流振荡现象。根据这一原理可 以研制基于共振隧穿超晶格的高频振荡器。
具体地说，本发明首先考虑在(001) n+型GaAs衬底上用分子束外延技 术生长具有40个周期的GaAs/AlAs超晶格，势垒宽度为d二4nm，势阱宽度 为w二9nm，超晶格的周期为""+ M^13nm。 n型量子阱用Si惨杂，浓度为 lxl017cm—3，超晶格两端被Si杂质重掺杂的n+-GaAs包夹形成一个三明治结 构。这样，超晶格系统是一个11+-11-11+型的器件结构，其工作温度为5K。外 加磁场的方向垂直于超晶格的生长方向，所述的外加电场为直流偏压，直流 偏压沿着超晶格生长方向。
弱耦合超晶格中载流子在电场作用下的输运机制是顺序共振隧穿，这时 超晶格相邻两个量子阱的某个能级处于同一高度。为了便于分析，本发明主 要考虑超晶格第(i-l)个量子阱中的基态Cl (第一子带，能量为&)与第i个量 子阱中的第一激发态C2 (第二子带，能量为&)之间的隧穿。假设电子运动 过程中受到的散射需要的时间远远低于量子阱间隧穿所需要的时间。这样， 在两个连续的隧穿过程中间，量子阱中电子处于局域平衡状态，系统的电子 态可以用随时间变化的电场和电子浓度来表示。利用一维的离散漂移-扩散理 论可以计算出电场作用下超晶格中电场的时空分布和电子浓度随时间的演 化，从而得到超晶格器件中电流随时间的变化关系。下面分析外加横向磁场对超晶格中电子共振隧穿过程的影响。设定超晶 格的生长方向为Z方向，外加磁场的方向平行于JC轴。在弱耦合超晶格中， 电子共振隧穿过程发生时，电子漂移速度A化)具有一个极大值A^—2) [E,.2 为前面提到的Cl能级与C2能级对齐时所加的电场强度]，这时的外加电场 为&2 。当外加磁场S作用在超晶格时，由于洛仑兹力的作用，
电子隧穿经过的距离为/后，其动量增加量1^=^/，其中T!为普朗克常数， Ay为电子在y方向的波矢。在有效质量近似下，这相当于从Z方向转移到y 方向的电子能量可以表示为Ae-e^2/2/2w'(附*为电子有效质量)。因此，为 了满足电子产生共振隧穿的条件，这部分转移的能量必须通过外加电场做功 来补偿，这时产生共振隧穿需要的电场为《^&2+Ai ，其中，A￡ = A"e/ = eJS2//2m'。这样，电子在磁场作用下的漂移速度峰值将会向高电场方向移动。 本发明中计算了在磁场为OT， 2T， 4T和6T条件下的电子漂移速度与电场 的关系。利用一维漂移-扩散模型得到了这些不同磁场条件下的电场和电子浓 度分布，进而得到了电流随时间的演化。计算结果表明，只有外加偏压处于
负微分漂移速度区域的某个电压区间(G, rr)时超晶格中才能够产生自振荡
的电流。这是因为当偏置电压处于这一区间时，超晶格中的动态电场畴进入 渡越时间模式，从阴极产生的电子在电场作用下能够到达阳极，从而在外电 路中形成无阻尼的自振荡电流。当电场低于^或者高于《时，超晶格中都没 有振荡电流产生。同时，研究发现这些电压区间的变化范围随磁场的变化而 发生变化。对于固定的磁场，超晶格振荡器的振荡频率可以通过调节外加直 流偏压来进行调节。同样，对于在超晶格振荡器上固定直流偏压，产生无阻 尼振荡电流以后，通过调节外加磁感应强度也可以调节对振荡器的振荡频率 进行连续调节。因此，可以利用电场和磁场来实现可调谐的超晶格振荡器。 通过调节超晶格的周期等参数，超晶格振荡器的振荡频率可以达到28.4 GHz。
综上所述，本发明提出了一种利用磁场和电场调节超晶格振荡器的方法。 由于加在超晶格器件的横向磁场的影响，弱耦合超晶格中第一子能级和第二 子能级的共振隧穿现象发生在更高的电场强度区域，超晶格中的电场畴受到 了磁场的调控，从而引起了超晶格中自振荡电流模式和振荡频率的变化。本 发明提出的利用磁场和电场的调控，能够实现超晶格振荡器振荡频率的连续
5性变化。因此，利用横向磁场和电场可以实现可调谐的超晶格振荡器。
图1是设计的超晶格振荡器在磁场为OT， 2T， 4T和6T时的振荡电流 随时间的变化关系。
图2是不同磁场下超晶格振荡器的振荡频率随外加偏压的变化关系。
具体实施例方式
下面，通过超晶格振荡器的制备过程及结合附图进一步阐述本发明的实 质性特点和显著的进步。
1、 器件制备利用分子束外延设备生长高质量的GaAs/AlAs超晶格材 料。超晶格具有40个周期，势垒宽度为J二4nm，势阱宽度为w = 9nm。量 子阱用Si实现n型掺杂，浓度为lxl017cm'3。超晶格两端被Si杂质重掺杂的 11+41().50%5八3包夹，形成一个三明治结构。器件制作过程中要保证界面质量 良好。
2、 将生长好的样品键合到面积为0.01mr^基片上，保证欧姆接触的质
量。制作信号引出线。
3、 在磁场存在的条件下测量器件的I-V特性。利用高频数字示波器记录
电流振荡信号。
如图1所示，外加偏压偏置在超晶格中电子的负微分漂移速度区域。从 图中可以看到，超晶格的电流随时间表现出周期性的变化关系，其振荡模式 和振荡频率都会随着外加磁场的变化而变化。计算得到的振荡器在磁场为0 T， 2T， 4T和6T时的振荡频率分别是20.70GHz， 20.16 GHz， 19.17 GHz' 和17.92 GHz。超晶格产生自振荡的电流是由随时空周期性变化的电场畴引 起的；
从图2可以看出，所述的超晶格振荡器的振荡频率处于14 GHz到28.4 GHz之间。
权利要求
1、一种可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于利用外加磁场和电场调控超晶格振荡器中电流振荡模式和振荡频率，所述的超晶格振荡器是基于载流子的共振隧穿机制的弱耦合超晶格。
2、 按权利要求1所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于所 述的弱耦合超晶格为！1+-11+11+型GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs。
3、 按权利要求1或2所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在 于所述的外加磁场的方向垂直于超晶格的方向，所述的电场为直流偏压，直 流偏压沿超晶格生长方向。
4、 按权利要求1所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于所 述的载流子的共振隧穿的弱耦合超降格相邻两个量子阱的能级处于同一高 度；加在超晶格器件的横向磁场，使弱耦合超晶格中第一子能级和第二子能 级的共振隧穿现场发生在更高的电场强度区域，超晶格中的电场畴受磁场控 制。
5、 按权利要求1或4所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在 于在弱耦合超晶格中，发生共振隧穿过程时电子漂移速度具有一个极大值。
6、 按权利要求3所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于外 加直流偏压处于负微分漂移速度区域的某个电压区间时超晶格中才产生自振 荡的电流;而所述的某个电压区间的变化范围随外加磁场的变化而发生变化。
7、 按权利要求3或6所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在 于在超晶格振荡器上固定直流偏压产生无阻尼振荡电流之后，通过调节外加 磁感应强度对超晶格振荡器的振荡频率进行连续调节。
8、 按权利要求l、 2、 3、 4或6所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法， 其特征在于所述的超晶格振荡器，以GaAs/AlAs为超晶格材料，具有40个 周期，n型量子阱用Si掺杂，超晶格两端被Si重掺杂的n+-AlQ.5AS包夹，形 成三明治结构。
9、 按权利要求8所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于 Si重掺杂的浓度为1 X 1017cm—3。
10、 按权利要求8所述的可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于 超晶格振荡器的振荡频率达28.4GHZ。
全文摘要
本发明涉及一种可调谐超晶格振荡器的实现方法，其特征在于(1)利用外加磁场和电场调控超晶格振荡器中电流振荡模式和振荡频率，所述的超晶格振荡器是基于载流子的共振隧穿机制的弱耦合超晶格；(2)所述的外加磁场的方向垂直于超晶格的方向，所述的电场为直流偏压，直流偏压沿超晶格生长方向；(3)在超晶格振荡器上固定直流偏压产生无阻尼振荡电流之后，通过调节外加磁感应强度对超晶格振荡器的振荡频率进行连续调节。总之，本发明利用外加磁场和电场的调控能够实现超晶格振荡器振荡频率的连续性变化。
文档编号H03B28/00GK101582680SQ200910052699
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者曹俊诚, 长 王 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所