專利名稱：太赫茲和吉赫茲固態(tài)微型分光計的制作方法
技術領域：
背景技術：
近來科學和技術的各種領域對在吉赫茲(GHz)-太赫茲(THz)頻率范圍中存在的電磁頻譜區(qū)域的興趣逐漸增加。部分地，這樣的興趣由GHz-THz輻射的獨特性質(zhì)導致，該獨特性質(zhì)使這樣的輻射可用于大量有用應用。太赫茲輻射是不電離的，并因此不同于X射線，它對生物組織和DNA無害。另外，大多數(shù)生物和化學試劑在THz區(qū)域中具有共振吸收譜線。因此，不同的人類和其它生物組織的準確且安全的體層照相術可以實現(xiàn)。因為太赫茲輻射可以穿透纖維和塑料，所以它可以用于安全性應用，例如篩查隱藏的武器。THz輻射的高頻性質(zhì)使得可能在較高頻的計算機和高海拔通信系統(tǒng)中利用它。同樣，太赫茲感測和成像可以用于制造、質(zhì)量控制和過程監(jiān)控領域中許多應用。這些應用一般利用塑料、紙板和其它包裝材料對太赫茲輻射是透明的性質(zhì)，并由此使其能夠檢查包裝的產(chǎn)品。相似地，THz輻射可用于從亞毫米和毫米天文學研究到固態(tài)研究的各種領域中的科學研究。

發(fā)明內(nèi)容
以下是本發(fā)明的圖解實施例的概要描述。它作為幫助本領域技術人員更迅速理解詳細設計討論的前言被提供，但不意圖以任何方式限制附加到這里以便特別指出本發(fā)明的權利要求的保護范圍。本發(fā)明基于在美國專利申請N0.12/247,096中描述并要求的技術和發(fā)明，該申請包括在此作為參考。在下文中公開的實施例利用本發(fā)明，本發(fā)明基于在容納具有至少一個合并缺陷的可調(diào)諧載流子層的固態(tài)系統(tǒng)中等離子體激元(Plasmons)的諧振激勵，提供新的快速、微型的電磁輻射分光計。取決于其中諧振等離子體激元激勵發(fā)生的空腔的大小，裝置的操作頻率可以跨越從約IGHz到約IOTHz的范圍。載流子層的可調(diào)諧性可以由以下層參數(shù)中的至少一個的可控制擺動來實現(xiàn):載流子密度、介電環(huán)境、施加的磁場、有效載流子質(zhì)量，以及等離子體激元空腔的大小。裝置可以包含一個或更多可調(diào)諧固態(tài)系統(tǒng)，該可調(diào)諧固態(tài)系統(tǒng)的每個都包括具有至少一個故意合并缺陷的至少一個載流子層(電子或空穴)，以及電氣連接到所述層或多個層的至少兩個電位觸點。為實現(xiàn)所述可調(diào)諧性，設備必須也包括用于上面列出的載流子層參數(shù)中的一個或更多的可控制調(diào)諧的工具?！叭毕荨笨梢园氲蕉S電荷層(其在美國專利申請N0.12/247,096中詳細描述)的任何不均勻性。入射輻射的頻譜可以響應可調(diào)諧參數(shù)的調(diào)整經(jīng)裝置的分析計算。因為頻率敏感的實時矩陣相機的小尺寸(正常約幾微米)和完全沒有任何活動部件或組件，所以該相機可以基于公開的基礎分光計元件實施。在此描述的實施例的操作可以依靠以下原理:1.入射輻射耦合到電位探針和/或載流子層和/或天線結構，由此在交變電位上感應它們。2.交變電位感應在可調(diào)諧等離子體激元空腔中傳播并諧振的等離子體波?？涨淮硎苓吔缂s束的晶體上的區(qū)域，在該邊界上等離子體激元擴散經(jīng)歷階段。空腔可以由它的參數(shù)(例如載流子密度)中至少一個的連續(xù)可控調(diào)整(即擺動)來調(diào)諧。3.在裝置里面的振蕩等離子體激元電場由裝置的非線性特性整流，在不同對的電位探針之間導致DC響應。非線性裝置行為由至少一個缺陷的存在導致(如在美國專利申請N0.12/247,096中詳細描述)。4.作為調(diào)諧參數(shù)的函數(shù)的裝置響應/信號的檢測產(chǎn)生充足數(shù)據(jù)從而計算入射輻射的頻譜。


圖1是其中等離子體激元空腔由背柵調(diào)諧的可替換實施例的側視圖；圖2是圖1的裝置的頂視圖；圖3是其中等離子體激元空腔由放置在介電層上的頂柵調(diào)諧的可替換實施例的側視圖；圖4是圖3的裝置的頂視圖；圖5是其中等離子體激元空腔由直接放置在結構頂部上的柵極調(diào)諧的可替換實施例的側視圖；圖6是圖5的裝置的頂視圖；圖7是其中任意形狀的一系列等離子體激元空腔調(diào)諧的可替換實施例的側視圖；圖8是圖7的裝置的頂視圖；圖9是其中整流缺陷離開等離子體激元空腔放置的可替換實施例的側視圖；圖10是圖9的裝置的頂視圖；圖11是其中等離子體激元空腔的可調(diào)諧性通過使它的介電環(huán)境擺動來實施的可替換實施例的側視圖；圖12是其中等離子體激元空腔的可調(diào)諧性通過使磁場擺動來實施的可替換實施例的側視圖；圖13是其中等離子體激元空腔的可調(diào)諧性通過調(diào)整空腔的大小來實現(xiàn)的可替換實施例的側視圖；圖14是具有將入射輻射有效耦合到等離子體激元空腔的天線的可替換實施例的側視圖；圖15示出作為電子密度的函數(shù)，并且對于不同輻射頻率的輻射感應光電壓的實驗測量相關性。等離子體激元空腔的大小L=400 μ m ；圖16示出作為電子密度的函數(shù)，并且對于不同輻射頻率的輻射感應光電壓的實驗測量相關性。等離子體激元空腔的大小L=IOO μ m ；圖17 (底部部分)示出作為電子密度的函數(shù)，并且對于磁場不同量值的輻射感應光電壓的實驗測量相關性。圖17 (頂部部分)示出作為電子密度的函數(shù)，并且對于磁場不同量值的輻射感應光電壓的實驗測量相關性；圖18為圖3和4的裝置的圖解實施例展示輻射感應光電壓信號；圖19是分光計響應對開爾文溫度(K)的圖表，并圖解提出的方法在高于液氮沸點的溫度的可行性。
具體實施例方式低維載流子層中的集合等離子體激勵數(shù)十年來引起研究者和工程師的興趣。另一方面，興趣由等離子體波的過剩效應導致，從科學角度對該效應感興趣。通過合適設計等離子體激元空腔的幾何形狀和參數(shù)，可能在特定太赫茲區(qū)域中實現(xiàn)空腔的等離子體頻率。等離子體激元的基本特性是頻率和波向量。它們通過擴散關系相互涉及。二維載流子層中的等離子體波以下面形式支配擴散:
[0030
權利要求
1.一種分光計設備,包含: 固態(tài)結構，所述固態(tài)結構經(jīng)配置接收入射電磁輻射，所述入射電磁輻射具有作為特征的頻譜；其中所述結構具有可調(diào)諧載流子層，所述可調(diào)諧載流子層具有作為特征的多個參數(shù)； 在所述可調(diào)諧載流子層中的至少一個等離子體激元空腔； 在所述可調(diào)諧載流子層中的至少一個缺陷； 到所述可調(diào)諧載流子層的至少第一觸點和第二觸點，所述觸點被設置在所述可調(diào)諧載流子層并以一距離隔開； 測量裝置，所述測量裝置用于測量所述固態(tài)結構對所述入射電磁輻射的響應，其中所述響應在所述第一和第二觸點之間測量，并且其中所述響應提供關于所述入射電磁輻射的所述頻譜的信息；以及 可控制調(diào)諧裝置，所述可控制調(diào)諧裝置用于所述多個參數(shù)中的至少一個的調(diào)諧。
2.一種用于測量電磁輻射頻譜的方法，所述方法包含以下步驟: 提供固態(tài)結構，所述固態(tài)結構具有可調(diào)諧載流子層，所述可調(diào)諧載流子層具有至少一個缺陷和至少一個等離子體激元空腔，其中所述載流子層具有作為特征的多個參數(shù)； 接收入射電磁輻射，所述入射電磁輻射具有作為特征的第一頻譜和能量； 引導所述入射電磁輻射到所述固態(tài)結構上； 使所述入射電磁輻射的所述能量轉換為至少一個等離子體波的能量，所述等離子體波具有作為特征的電磁場，并且 所述等離子體波以第二頻率振蕩并在所述等離子體激元空腔的至少一個中傳播； 通過使用與所述等離子體激元電磁場有關的所述缺陷中的至少一個的非線性響應生成信號； 調(diào)整所述可調(diào)諧載流子層的所述參數(shù)中的至少一個； 在至少一個所述參數(shù)的不同值對所述信號進行多個測量； 確定至少一個所述參數(shù)和所述信號的值之間的關系；以及 基于所述關系確定所述入射電磁輻射的所述第一頻譜。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述響應形成光電壓。
4.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述響應形成光電流。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述響應形成光電容。
6.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述響應形成光電感。
7.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述響應形成光電阻。
8.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的載流子密度。
9.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的介電環(huán)境。
10.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是源自獨立源的磁場的強度，所述磁場穿透所述載流子層。
11.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的有效載流子質(zhì)量。
12.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述等離子體激元空腔的大小。
13.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述至少一個缺陷實施為以下中的一個:蝕刻區(qū)域、載流子密度不均勻性、約束或擴張、金屬層(例如在結構上淀積)、摻雜、載流子遷移率缺陷、介質(zhì)環(huán)境缺陷、結構缺陷。
14.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中多個在空間中周期性排列的調(diào)諧等離子體激元空腔引入所述載流子層。
15.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中多個在空間中非周期性排列的調(diào)諧等離子體激元空腔引入所述載流子層。
16.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中除所述第一觸點和所述第二觸點之外提供到所述載流子層的多個另外觸點。
17.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中多于一個分光計以單獨固態(tài)結構實施。
18.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述固態(tài)結構包含GaAs/AlGaAs異質(zhì)結構，其中Ga是嫁，As是神，以及Al是招。
19.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述固態(tài)結構包含以下結構中的一個:SiMOSFET結構、InAs結構或Si/Ge結構，其中Si是硅，In是銦，As是砷，以及Ge是鍺。
20.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述載流子層以單量子勢井的形式實現(xiàn)。
21.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述載流子層以雙量子勢井的形式實現(xiàn)。
22.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述載流子層以含有多個量子勢井的超點陣的形式實現(xiàn)。
23.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中所述載流子層以異質(zhì)結的形式實現(xiàn)。
24.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中允許所述載流子層中的載流子可以在多于一個維度內(nèi)移動。
25.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中通過透鏡、喇叭透鏡和波導中的至少一個引導所述入射輻射到所述固態(tài)結構上。
26.根據(jù)權利要求1所述的設備，進一步包含用于冷卻所述固態(tài)結構的裝置。
27.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述缺陷中的至少一個作為到所述等離子體激元空腔的邊界和整流器。
28.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中整流缺陷離開所述至少一個等離子體激元空腔設置。
29.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述信號是光電壓值。
30.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述信號是光電流值。
31.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述信號是光電容值。
32.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述信號是光電感值。
33.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述信號是光電阻值。
34.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的載流子密度。
35.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的介電環(huán)境。
36.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是源自獨立源的磁場的強度，所述磁場穿透所述載流子層。
37.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述載流子子層的有效載流子質(zhì)量。
38.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)諧參數(shù)是所述等離子體激元空腔的大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速微型太赫茲和吉赫茲電磁輻射片上分光計，該分光計包含具有并入單獨或多個缺陷的可調(diào)諧固態(tài)2D載流子層或準2D載流子層、到載流子層的至少第一和第二觸點。同樣該裝置包括用于在第一和第二觸點之間測量裝置響應的設備，以及用于載流子層參數(shù)中至少一個的可控制調(diào)諧的設備。操作原理基于不同波長的輻射在載流子層中激勵不同組等離子體模式的事實。
文檔編號G01V3/17GK103097916SQ201080063645
公開日2013年5月8日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月10日
發(fā)明者I·庫庫斯金, V·穆拉維約夫 申請人:特拉辛斯集團公司