專利名稱：一種量子阱太赫茲探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體多量子阱結構的太赫茲(THz)探測器。
背景技術：
介于微波與紅外光之間的波長在30微米到1000微米范圍內的THz電磁輻射，在無線通訊、公共安全、天文、醫(yī)學成像與超快光譜等諸多領域有著重要的應用。其中，半導體量子阱THz探測器是實現(xiàn)理想高效固態(tài)THz探測的技術途徑之一，是THz領域的研究熱點。這種探測器是在多量子阱結構的紅外探測器(QWIP)基礎上，通過降低勢壘層中的勢壘高度來減小勢阱層中子帶能級間距的方法，將其探測范圍發(fā)展到涵蓋THz波段的。用可控制的生長方法對這種量子阱THz探測器的結構進行調節(jié)，可改變其探測效率和頻率等關鍵參數，滿足不同的實際需要，實現(xiàn)所謂人工裁剪的目的。這種類型的探測器是通過利用勢阱層中電子在子帶能級間的躍遷來響應入射THz輻射的。但基于此工作原理的的量子阱THz探測器固有一些QWIP結構的本征缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)由躍遷定則決定的探測器中子帶躍遷須有光柵耦合或45度磨角耦合，導致對入射的THz輻射吸收效率低；2)由量子約束原理確定的探測器探測頻率不能調節(jié)，或者調節(jié)很困難；3)由導帶或價帶的帶內子帶間復合決定的載流子壽命短而引起的響應度小。對這些缺點進行改進，是發(fā)展高效新型量子阱THz探測器所必須要面對的問題。半導體中廣泛存在著的類氫施主雜質，會在價帶與導帶之間引入一系列分立的施主能級。電子在基態(tài)與高激發(fā)態(tài)的施主能級之間發(fā)生躍遷時，將對應著THz波段輻射的吸收或發(fā)射。因此，半導體中的類氫施主能級間的電子躍遷也可用來進行THz探測。這種不同于前述傳統(tǒng)量子阱探測器的THz探測原理，已經在半導體體材料器件中得到應用。相對于傳統(tǒng)量子阱THz探測器而言，這些基于類氫施主能級間電子躍遷的探測器在光吸收效率、探測頻率可調與響應度等方面，表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。但是，目前還未能在量子阱THz探測器中實現(xiàn)利用類氫施主能級間電子躍遷來進行THz探測的目的。這是因為對于量子阱結構的勢阱層中的施主雜質電子而言，即使其吸收了 THz輻射后發(fā)生了從基態(tài)到高激發(fā)態(tài)的施主能級間的躍遷，依然被束縛在勢阱的底部，不能對探測器外電路中的光電流做出貢獻；對于量子阱結構的勢壘層中的施主雜質電子而言，由于其基態(tài)施主能級的位置比勢阱中子帶能級的位置都高很多，導致基態(tài)施主能級上沒有電子占據，因而也就無法對入射THz輻射進行響應。由此可見，需要發(fā)展新方法和技術手段，對量子阱結構內的電子進行有效調控，使得在半導體量子阱結構中可直接利用施主能級間的電子躍遷來進行THz探測，有利用發(fā)展高效新型的量子阱THz探測器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種應用外加磁場，通過對勢壘層中施主能級與勢阱層中子帶能級間相互作用的有效調控，使電子首先發(fā)生自勢阱層基態(tài)子帶能級向勢壘層中基態(tài)施主能級的轉移，然后再利用轉移后的電子在勢壘層中施主能級間的躍遷來進行THz探測的半導體量子阱THz探測器。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是一種量子阱太赫茲探測器，包括多量子阱半導體芯片和超導磁體系統(tǒng)；所述多量子阱芯片為在半絕緣的GaAs襯底上依次排列生長的Si摻雜GaAs下電極層、AlGaAs勢壘層和GaAs勢阱層組成的多量子阱層、AlGaAs勢壘層、Si摻雜GaAs上電極層組成；所述超導磁體系統(tǒng)包括計算機、電流控制箱、外殼、內膽、液氦池和超導線圈；計算機與電流控制箱和多量子阱半導體芯片電連接；電流控制箱與超導線圈電連接；外殼和內膽之間的夾層為液氦池，液氦池內注有液氦；超導線圈置在液氦池內；內膽內為變溫室，多量子阱半導體芯片位于變溫室底部；被探測的THz波通過變溫室中的波導管入射到多量子阱芯片上；所述多量子阱層的AlGaAs勢壘層與GaAs勢阱層的導帶邊高度差導致的多量子阱層中的電子的基態(tài)子帶能級eO與激發(fā)態(tài)子帶能級el的能量差值對應THz波段且在有限大小的磁場作用下，eO能級能升高達到與Is能級相同的高度。所述超導磁體系統(tǒng)通過調節(jié)超導線圈中電流的大小，可實現(xiàn)在0-12T范圍內磁場的連續(xù)變化。當所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度達到或超過臨界值時，所述GaAs勢阱層中的電子向AlGaAs勢魚層中施主能級的轉移,并通過在施主能級間的躍遷來響應入射THz 波。當所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度超過臨界值時，所述量子阱太赫茲探測器的探測頻率與磁場強度成線性比例關系。所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場的臨界值的大小由AlGaAs勢壘層中基態(tài)施主能級與GaAs勢講層中基態(tài)子帶能級間的差值決定。本發(fā)明的磁場調控的量子阱太赫茲探測器與傳統(tǒng)的磁場調控的量子阱THz探測器既有相似之處也有根本的差異。相似之處在于，對勢壘層中施主能級與勢阱層中子帶能級間相互作用進行調控所使用的超導磁體系統(tǒng)相同，所使用的半導體芯片都是多量子阱結構。根本差異則有多個方面。第一，本發(fā)明中的多量子阱半導體芯片的結構是經過特殊計算、設計出來的，必須滿足在一定外磁場作用下勢阱層基態(tài)子帶能級能夠上移到與勢壘層中基態(tài)施主能級相同能級高度的條件。第二，本發(fā)明的量子阱THz探測器對THz輻射響應的空間結構層與探測原理不同，它利用的是勢壘層中施主能級間的電子躍遷來響應THz輻射的；而傳統(tǒng)的量子阱THz探測器利用的是勢阱層中子帶能級間的電子躍遷來響應THz輻射。第三，傳統(tǒng)的量子阱THz探測器對THz輻射的探測是一步過程，只要施加外磁場作用就可以開始工作。而本發(fā)明的量子阱THz探測器對THz輻射的探測是兩步過程，第一步是先調節(jié)外加磁場到臨界磁場Be,使基態(tài)子帶能級eO上升到與勢魚層中基態(tài)施主能級Is相同的能級高度、電子發(fā)生從勢阱層向勢壘層的空間轉移；第二步才是在比臨界磁場Be更強的外加磁場中進行THz輻射探測工作的。簡而言之，本發(fā)明的磁場調控的新型量子阱THz探測器所設計的量子阱半導體芯片的能級結構獨特、對THz輻射進行探測所依賴的物理原理與內部物理過程迥異。采用了上述技術方案后，本發(fā)明具有以下的積極的效果:(1)本發(fā)明在外加磁場增加到臨界磁場Be以后，由于利用了施主能級間的電子躍遷來進行THz探測，本發(fā)明的量子阱太赫茲探測器不需要光柵耦合或45度磨角耦合，能在正入射條件下吸收響應THz輻射，克服了傳統(tǒng)量子阱結構探測器原理上導致的缺點，大幅度提高了響應度。
(2)由于在外加磁場作用下，施主能級會隨磁場變化發(fā)生明顯的移動，可用于對量子阱太赫茲探測器的探測頻率進行大范圍的有效調節(jié)，推動了量子阱太赫茲探測器在成像與光譜等領域的重要應用。(3)由于外加磁場使量子阱太赫茲探測器形成了類量子點結構，即在z方向上受到半導體材料本身的能帶勢的限制，而在χ-y平面上則有磁場導致的磁場限制勢，從而使探測器的能態(tài)密度從二維限制下的臺階形演變成具有S特征的分立線特征，可顯著抑制熱輔助的暗電流和聲子散射幾率，有利于探測器降低暗電流、提高探測率。


為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中圖1為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測器的多量子阱芯片的結構示意圖。圖2為本發(fā)明的結構示意圖。圖3為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測器在臨界磁場作用下進行太赫茲探測的原理示意圖。圖4為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測器光響應光譜圖。附圖中標號為:
具體實施例方式(實施例1)見圖1和圖2，本實施例的一種量子阱太赫茲探測器，包括多量子阱半導體芯片13和超導磁體系統(tǒng)。見圖1，本實施例的多量子阱芯片13是利用典型的半導體材料外延生長技術，如分子束外延技術、金屬有機化學氣相沉積技術等，制備工藝成熟。在半絕緣的GaAs襯底I上依次排列生長:厚度為800nm的Si摻雜的GaAs下電極層2 ；交替生長30或50個周期的由AlGaAs勢壘層和GaAs勢阱層組成的多量子阱層3 ；20nm 厚的 AlGaAs 勢魚層 4 ；厚度為400nm的Si摻雜的GaAs上電極層5。多量子阱層3中的AlxGal-xAs勢壘層的高度，由Al組分x進行調節(jié)，選擇x組分大小為0.03，即Al組分為3%，Ga組分為97%。勢壘的高度與GaAs勢阱層的厚度一起決定了探測器在零磁場中可探測到的THz波長的大小。見圖2,本實施例所用的超導磁體系統(tǒng)為Oxford Instruments Limited生產的，型號為S11/12L-40-13。多量子阱芯片13位于該系統(tǒng)的變溫室12的底部。變溫室12中不直接盛放液氦，但與液氦池10有熱交換，因此多量子阱芯片13的低溫工作環(huán)境不需要額外的制冷系統(tǒng)。被探測的THz波通過波導管14入射到變溫室12中的多量子阱芯片13上，被多量子阱芯片13所探測。調節(jié)超導磁體線圈11中的電流，就改變了多量子阱芯片13周圍磁場的大小。多量子阱層3的AlGaAs勢壘層與GaAs勢阱層的導帶邊高度差需滿足:1、高度差導致的多量子阱層3中的電子的基態(tài)子帶能級eO與激發(fā)態(tài)子帶能級el的能量差值對應THz波段；2、量子阱中的電子的基態(tài)子帶能級eO會隨磁場增加而線性升高，升高的速度為每單位磁場增加e/m%此處e為電子電荷，nf為電子的有效質量。勢壘層中Is能級基本不隨磁場變化。因此，高度差必須滿足，在有限大小的磁場作用下，eO能級能升高達到與Is能級相同的高度。只有這樣，電子才能從量子阱勢阱層中轉移到勢壘層中在有限大小的磁場作用下，eO能級能升高達到與Is能級相同的高度。超導線圈11電流的大小由計算機6、電流控制箱7控制，通過調節(jié)超導線圈11中電流的大小，可實現(xiàn)在0-12T范圍內磁場的連續(xù)變化。當超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度達到或超過臨界值時，GaAs勢阱層中的電子向AlGaAs勢壘層中施主能級的轉移，并通過在施主能級間的躍遷來響應入射THz波。當超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度超過臨界值時，量子阱太赫茲探測器的探測頻率與磁場強度成線性比例關系。超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場的臨界值的大小由AlGaAs勢魚層中基態(tài)施主能級與GaAs勢講層中基態(tài)子帶能級間的差值決定。調節(jié)超導磁體線圈11中的電流，就改變了太赫茲探測器周圍磁場的大小，也就實現(xiàn)了對量子阱太赫茲探測器中勢壘層中施主能級與勢阱層中子帶能級間相互作用的調控。如圖3所示。當外加磁場達到一定臨界值后，量子阱勢阱中的電子發(fā)生從子帶能級向勢壘層中施主能級的轉移，并在入射THz輻射作用下，實現(xiàn)從基態(tài)向高激發(fā)態(tài)的施主能級間的躍遷。這些躍遷到高激發(fā)態(tài)施主能級的電子在熱作用下繼續(xù)躍遷到勢壘層的導帶上，并最終被與探測器連接的外電路收集、成為光電流信號被與探測器相連接的計算機系統(tǒng)所記錄。見圖3，本發(fā)明中磁場調控勢壘層中施主雜質電子能級與勢阱層中子帶能級間相互作用使電子發(fā)生自勢阱層基態(tài)子帶能級向勢壘層中基態(tài)施主能級的轉移的過程及量子阱太赫茲探測器的基本工作原理說明如下:無外加磁場或者所施加外加磁場小于臨界磁場Be之前,勢講中基態(tài)子帶能級eO處于勢魚層基態(tài)施主能級Is之下。量子講中自由電子主要占據在基態(tài)子帶能級eO上。此時，量子阱THz探測器對入射輻射的響應依賴電子在勢阱層中的子帶能級間的躍遷來實現(xiàn)，如從eO子帶能級躍遷到el子帶能級。此時,量子講THz探測器工作在傳統(tǒng)工作原理模式下，如圖3所示。當所施加的外加磁場達到臨界磁場Be時，量子阱THz探測器的工作模式開始發(fā)生改變。由于Zeeman效應的作用，勢阱中基態(tài)子帶能級eO的位置會隨磁場增大而升高。在外加磁場達到臨界磁場Be時，基態(tài)子帶能級eO剛好上升到與勢壘層中基態(tài)施主能級Is相同的能級高度，如圖4所示。其中橫向虛線表示基態(tài)子帶能級eO在磁場未到達臨界磁場之前的位置，空心箭頭代表eO隨外加磁場增加而上升的方向。于是，原先只占據基態(tài)子帶能級eO的電子，在各種散射機制作用下，發(fā)生了向基態(tài)施主能級Is的轉移。進一步，量子阱THz探測器對入射THz輻射的響應即可通過電子在勢壘層中的Is能級向2p+及更高激發(fā)態(tài)施主能級的躍遷來完成。這些發(fā)生躍遷的電子隨后在熱效應的作用下進一步躍遷到勢壘層的導帶Ec上，被連接探測器外電路所收集，從而達到探測入射THz輻射的目的。在GaAs阱寬為50A，AlxGal_xAs勢壘高度為30meV，勢阱中電子的有效質量為0.067m0條件下，電子的基態(tài)子帶能級為23.0meV。在外加磁場的作用下,基態(tài)子帶能級的第零朗道能級eO的位置隨磁場增加而升高。當磁場增大到臨界值4.5T時，eO能級的位置達到與勢壘層中基態(tài)施主能級Is相同的高度。此時，在庫倫勢等散射作用下，電子開始從eO能級向Is能級發(fā)生轉移。轉移過程發(fā)生后，在入射THz波段輻射作用下，這些電子開始發(fā)生從Is能級向高激發(fā)態(tài)施主能級的躍遷，并繼續(xù)在在熱作用下躍遷到勢壘層的導帶上、被與探測器連接的外電路收集，達到了對THz波段輻射進行探測的目的。隨后，當外加磁場進一步增大時，由于Zeeman效應,勢魚層中雜質電子的高激發(fā)態(tài)能級也將發(fā)生移動，這樣就達到了調節(jié)此新型量子阱THz探測器探測波長的目的。磁場臨界值的大小決定于勢壘層中基態(tài)施主能級與勢阱層中基態(tài)子帶能級間的差值。在常規(guī)超導磁體的磁場條件下，即磁場強度小于15T時，磁場臨界值與前述能級間差值保持著線性變化的關系。以上述方式實施的磁場控制的新型量子阱THz探測器，它的光響應光譜圖如圖4所示，從圖中可以看到，相對于傳統(tǒng)量子阱THz探測器的光響應(如圖4中的虛線所示)，本發(fā)明的探測器其光響應提升了 5倍(如圖4中的實線所示)，所以其響應度提高了 5倍達到2.0A/W，探測頻率的調節(jié)范圍可從3.2THz調節(jié)到4.0THz以上。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種量子阱太赫茲探測器，包括多量子阱半導體芯片(13)和超導磁體系統(tǒng)；所述多量子阱芯片(13)為在半絕緣的GaAs襯底(I)上依次排列生長的Si摻雜GaAs下電極層⑵、AlGaAs勢壘層和GaAs勢阱層組成的多量子阱層(3)、AlGaAs勢壘層(4)、Si摻雜GaAs上電極層(5)組成；所述超導磁體系統(tǒng)包括計算機(6)、電流控制箱(7)、外殼(8)、內膽(9)、液氦池(10)和超導線圈(11);計算機(6)與電流控制箱(7)和多量子阱半導體芯片(13)電連接；電流控制箱(7)與超導線圈(11)電連接；外殼⑶和內膽(9)之間的夾層為液氦池(10)，液氦池(10)內注有液氦；超導線圈(11)置在液氦池(10)內；內膽(9)內為變溫室(12)，多量子阱半導體芯片(13)位于變溫室(12)底部；被探測的THz波通過變溫室(12)中的波導管(14)入射到多量子阱芯片(13)上；其特征在于:所述多量子阱層(3)的AlGaAs勢壘層與GaAs勢阱層的導帶邊高度差導致的多量子阱層(3)中的電子的基態(tài)子帶能級eO與激發(fā)態(tài)子帶能級el的能量差值對應THz波段且在有限大小的磁場作用下，e0能級能升高達到與Is能級相同的高度。
2.根據權利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測器，其特征在于:所述超導磁體系統(tǒng)通過調節(jié)超導線圈(11)中電流的大小，可實現(xiàn)在0-12T范圍內磁場的連續(xù)變化。
3.根據權利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測器，其特征在于:當所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度達到或超過臨界值時，所述GaAs勢阱層中的電子向AlGaAs勢壘層中施主能級的轉移，并通過在施主能級間的躍遷來響應入射THz波。
4.根據權利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測器，其特征在于:當所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場強度超過臨界值時，所述量子阱太赫茲探測器的探測頻率與磁場強度成線性比例關系。
5.根據權利要求3或4所述的一種量子阱太赫茲探測器，其特征在于:所述超導磁體系統(tǒng)產生的外加磁場的臨界值的大小由AlGaAs勢壘層中基態(tài)施主能級與GaAs勢阱層中基態(tài)子帶能級間的差值決定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種量子阱太赫茲探測器，該探測器由多量子阱芯片和超導磁體系統(tǒng)組成。通過施加外加磁場，對多量子阱芯片勢壘層中施主能級與勢阱層中子帶能級間相互作用進行有效調控，導致電子從勢阱層中基態(tài)子帶能級向勢壘層中施主能級轉移，并利用勢壘層中施主能級間的電子躍遷來探測入射THz輻射。本發(fā)明在外加磁場增加到臨界磁場Bc以后，由于利用了施主能級間的電子躍遷來進行THz探測，本發(fā)明的量子阱太赫茲探測器不需要光柵耦合或45度磨角耦合，能在正入射條件下吸收響應THz輻射，克服了傳統(tǒng)量子阱結構探測器原理上導致的缺點，大幅度提高了響應度。
文檔編號G01J1/42GK103107230SQ20111035892
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權日2011年11月14日
發(fā)明者張波, 余晨輝, 陸衛(wèi), 李寧, 陳平平, 甄紅樓, 王文娟, 李志鋒, 李天信, 陳效雙 申請人:常州光電技術研究所, 中國科學院上海技術物理研究所