CN100444419C - 探测波长可调的太赫兹光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测波长可调的太赫兹光电探测器，该探测器由多量子阱芯片和超导磁体系统组成。它是应用外加磁场为调谐手段对探测频率进行调节的多量子阱结构的THz光电探测器。本发明的优点是克服了n-QWIP器件原理上导致的缺点，抑制了热辅助的暗电流和声子散射几率，增大了光生载流子寿命，提高探测器的响应率，并最终提高了探测器的探测率。本发明器件所用材料制备工艺成熟，材料均匀性好。

Description

探测波长可调的太赫兹光电探测器

技术领域

本发明涉及太赫兹(THz)光电探测器，具体是指一种探测波长可调的多量子阱结构的THz光电探测器。

背景技术

量子阱探测器的探测范围已经被发展到涵盖THz波段，正成为一种重要的新型半导体THz探测器。这种探测器可用可控制的生长方法对其结构进行调节，来改变探测效率和频率等关键参数，满足不同的实际需要，实现所谓人工裁剪的目的。但这种结构的THz探测器依然保留着量子阱红外探测器(QWIP)的一些原理上所决定的缺点，主要有以下几个方面：1)由跃迁定则决定的探测器中的子带跃迁须有光栅耦合或45度磨角耦合；2)由导带或价带的带内子带间复合决定的载流子寿命短而引起的响应率小；3)由于费米分布特性决定的热效应造成的噪声大等；4)由量子约束原理确定的探测器探测频率不能调节，或者调节很困难。对这些缺点的改进是发展这种结构类型THz探测器所必须要面对的问题。

已经知道，在量子阱的结构不发生改变的情况下，阱中载流子的能级，会在外加磁场的作用下发生移动和分裂。载流子能级的移动和分裂意味着共振入射光频率的改变以及吸收入射光几率的改变。由磁场导致的能级之间的吸收对入射光的方向没有特殊要求。除此之外，外加磁场的引入，使整个量子阱结构在磁场作用下形成了类量子点结构。量子点结构对其中的载流子有三维量子限制效应，将会导致分裂的态密度特征和能级的高度分离。由于这个特性，半导体量子点在单电子器件、存贮器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。因此应用外加磁场，结合正在发展中的THz探测器的制备技术，对探测器的性能进行调谐优化，可以克服QWIP的一些主要缺点并拓展该探测器的探测范围和在多个方面的应用。

发明内容

基于上述已有的状况，本发明的目的就是要提出一种应用外加磁场对探测频率进行调节的多量子阱THz光电探测器。

本发明的太赫兹光电探测器，包括：多量子阱芯片和超导磁体系统。

多量子阱芯片由半绝缘的GaAs衬底1上依次排列生长的Si掺杂GaAs下电极层2、AlGaAs势垒/GaAs势阱组成的多量子阱层3、AlGaAs势垒层4、Si掺杂GaAs上电极层5组成。

超导磁体系统包括：计算机6，电流控制箱7，外壳8和内胆9之间构成的夹层为液氦池10，液氦池内注有液氦，超导线圈11置在液氦池内。内胆内为变温室12，多量子阱芯片13位于变温室底部。被探测的THz波通过变温室中的波导管14入射到多量子阱芯片上。超导线圈电流的大小由计算机、电流控制箱控制。通过调节超导线圈中电流的大小，可实现在0-12T范围内磁场的连续调谐。调节超导磁体线圈中的电流，就改变了THz探测器周围磁场的大小，也就实现了对THz探测器探测波长的调谐，当探测器的响应波长与被探测的THz波长相一致时，与探测器连接的电路得到最大的电信号，这个信号被与探测器相连接的计算机系统所记录。

本发明器件工作原理是：多量子阱芯片在磁场作用下，量子阱中载流子基态分裂后的第i个朗道能级为：

其中 ${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{eB}}{m^{*}},$ e是电子电荷，B是磁场强度，m^*是电子有效质量。探测器的探测波峰位能量为对应的探测器响应频率是ω_c，它随磁场B变大而变大，当B＝B_c时，E_0，1正好与势垒能量相等，此时探测器开始有响应，B＜B_c时无响应，B＞B_c时有响应。这样就实现了通过磁场对探测器进行探测频率的调节。

本发明有如下积极效果和优点：

1.区别于n-QWIP探测器中的子带跃迁，无须有光栅耦合或45度磨角耦合。朗道能级之间的跃迁是以正入射条件下吸收的，克服了n-QWIP器件原理上导致的缺点。同时克服了QWIP原理上正入射不能诱导光电跃迁的缺点，大大提高了探测器的响应率，降低暗电流，并最终提高探测器的探测率。

2.加入磁场后使整个多量子阱结构在磁场作用下形成了类量子点结构，即在z方向上是材料能带势的限制，而在x-y平面上有磁场导致的磁场限制势，从而使结构的能态密度从二维限制下的台阶形演变成具有δ特征的分立线特征，从而大大地抑制了热辅助的暗电流和声子散射几率，会增大光生载流子寿命，提高探测器的响应率，降低暗电流，并最终提高探测器的探测率。

附图说明

图1为本发明的THz光电探测器的结构示意简图。

图2为多量子阱芯片的结构示意简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明的多量子阱芯片是利用半导体材料外延的典型技术，如分子束外延技术，金属有机化学气相沉积技术在半绝缘的GaAs衬底上依次排列生长：

厚度为800nm的Si掺杂的GaAs下电极层；

交替生长30或50个周期的由AlGaAs势垒\GaAs势阱组成的多量子阱层；

20nm厚的AlGaAs势垒层；

厚度为400nm的Si掺杂的GaAs上电极层。

多量子阱层中的Al_xGa_1-xAs势垒层的高度，由Al组分x进行调节。势垒的高度与GaAs势阱层的厚度一起决定了探测器在零磁场中可探测到的THz波长的大小。

本发明所用的超导磁体系统为Oxford Instruments Limited生产的，型号为S11/12L-40-13。多量子阱芯片位于该系统的变温室的底部。变温室中不直接盛放液氦，但与液氦池有热交换，因此多量子阱芯片的低温工作环境不需要额外的制冷系统。被探测的THz波通过波导管入射到变温室中的多量子阱芯片上，被多量子阱芯片所探测。调节超导磁体线圈中的电流，就改变了多量子阱芯片周围磁场的大小，也就实现了对THz探测器探测波长的调谐，当探测器的响应波长与被探测的THz波长相一致时，与探测器连接的电路得到最大的电信号，这个信号被与探测器相连接的计算机系统所记录。

在GaAs阱宽为50Al_xGa_1-xAs势垒高度为30meV，势阱中电子的有效质量m^*为0.067m₀条件下，电子的基态能级为23.0meV。在外加磁场的作用下，基态分裂，分裂大小为 ${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{eB}}{m^{*}}.$ 分裂出来的第零朗道能级依然在势阱中，第一朗道能级的位置随磁场改变，当磁场变化到一临界值B_c时，第一朗道能级会高于势垒高度，势阱中吸收共振频率入射光的电子会被散射到可迁移的扩展态上形成光电流，从而实现探测器的探测。经计算可知临界磁场B_c＝4.05T，可探测到的THz波的能量大于7.0meV。当磁场从Bc开始，连续增大到12T时，THz探测器所能探测到的波段将从7.0meV连续增加到20.7meV，从而实现了磁场对探测器探测波长的调谐。由于Oxford Instruments Limited的Highfield SolenoidSystem超导磁体系统中磁场最大值为12T，所以被探测到的THz最大能量为20.7meV。这个限制将在更大的磁场中得到解决，从而实现探测波长在整个THz波段的调谐。

改变GaAs量子阱的宽度和Al_xGa_1-xAs势垒高度，临界磁场B_c的大小和可探测到的THz频率也将随之发生改变，可以满足更多的不同要求的磁场对THz探测器的探测频率大小的调节。不同势阱宽度和势垒高度下可探测到的最长THz波长与磁场临界值的大小一并列在下表1中，作为更普遍的事例。

表1

Claims (1)

1.一种探测波长可调的太赫兹光电探测器，其特征在于包括：多量子阱芯片和超导磁体系统；

多量子阱芯片由半绝缘的GaAs衬底(1)上依次排列生长的Si掺杂GaAs下电极层(2)、AlGaAs势垒/GaAs势阱组成的多量子阱层(3)、AlGaAs势垒层(4)、Si掺杂GaAs上电极层(5)组成；

超导磁体系统由计算机(6)，电流控制箱(7)，由外壳(8)和内胆(9)之间的夹层构成的液氦池(10)和超导线圈(11)组成；液氦池(10)内注有液氮，超导线圈(11)置于液氮池(10)内，内胆(9)内部是变温室(12)，多量子阱芯片(13)位于变温室(12)的底部；被探测的太赫兹入射光通过变温室(12)中的波导管(14)入射到多量子阱芯片上；超导线圈电流的大小由计算机、电流控制箱控制；通过调节超导线圈中电流的大小，来改变多量子阱芯片周围磁场的大小，进而实现对太赫兹探测器探测波长的调谐。

Images