CN103097916A - 太赫兹和吉赫兹固态微型分光计 - Google Patents

Abstract

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。

Description

太赫兹和吉赫兹固态微型分光计

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No.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1GHz到约10THz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No.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No.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。

附图说明

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=400μm；

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=100μm；

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：

${\mathrm{\ω}}_p^2\left(q\right)=\frac{n_s{e}^2}{2m^{*}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}\left(q\right)}q---\left(1\right)$

这里，n_s和m^*分别是二维电子/空穴的密度和有效质量，而ε₀和ε（q）分别是真空的介电常数和周围介质的有效介电常数，并且ω_p表示等离子体波的频率。扩散受到有效介电常数强烈影响，该有效介电常数是等离子体激元波向量q的复变函数。在此提出的装置实施例中，每个等离子体激元的传播都约束到载流子层-等离子体激元空腔的某部分。该等离子体激元空腔由几何边界定义，在该几何边界内等离子体激元扩散经历阶段。如果几何空腔大小合计为L，那么由于从空腔边沿反向散射的等离子体波的干涉，因此仅激励具有波向量q=nπ/L（n=1，2，3K）的等离子体激元。如果辐射频率固定，并且载流子层参数中的一个，例如电子/空穴密度n_s摆动，那么具有数目n=1，2，3K的连续等离子体谐振导致空腔。导致的谐振可以用来生成装置响应，例如光电压、光电流、光电容、光电感或光电阻信号，如在美国专利申请No.12/247，906中描述。作为电子/空穴密度的函数的信号由一系列对应最大值表征。这样的最大值在参数（例如电子或空穴密度）在特定范围中的时候实现。测量的谐振响应函数由入射辐射的频率定义，并可以基于上面的方程（1）确定。导致的谐振函数的形状允许计算入射辐射的频率或频谱。

入射吉-太赫兹辐射的光谱分析为数个装置实施例实行。入射辐射的频谱通过调谐影响等离子体扩散或设置的参数中的一个获得。对于在图1-10中示意示出的第一装置族，调谐的参数是等离子体激元空腔中的电荷密度。对于在图11-13中示出的其它实施例，调谐的参数是磁场、介电环境、等离子体激元空腔的大小。为简便，在以下讨论中，使用一层二维载流子系统。然而理解相同原理和结果也应用于在权利要求中指定的其它类型的载流子层。

转到附图，图1-2示出根据本发明的一个实施例的固态装置1。装置1包括具有嵌入背栅3的结构2，以及二维载流子层4。装置载流子层4包括缺陷结构5。缺陷和/或多个缺陷可以是在二维载流子层中和/或在它的环境中的任何不均匀性。例如，环境中的这样缺陷可以由在固态晶体保护层中创造台阶来引起。通常，可以使用现在已知或以后发展的任何途径制作或引起缺陷。缺陷的另一例子可以用以下形式中的一个实现：蚀刻面积、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、结构缺陷等。在图1-2中图解的装置实施例含有缺陷结构5（载流子密度不均匀性），缺陷结构5由淀积在半导体晶体的顶部或任何其它合适固态装置上的栅极6创造。通过施加电压到栅极6，在栅极6下的二维系统的区域可以耗尽或富集，这向二维载流子层4增加密度不均匀性并形成缺陷。装置1在具有触点7和8的每个末端终止。触点9连接到背栅3。背栅3意图经场效应使载流子层中的载流子密度摆动。

图2示出缺陷5与触点7和8限制长度L₁和L₂的二维系统的区域。在入射辐射下，这些区域充当由背栅电位调谐的谐振等离子体激元空腔。响应调谐载流子密度的装置的已知功能允许计算辐射频谱。

另外，装置1可以包括图1和2中没有示出的一个或更多载流子层和/或触点。进一步地，由背栅3调谐的等离子体空腔的可调谐性仅说明用于在空腔中调谐电荷密度的各种配置。以至图3和4示出根据本发明的另一实施例的可替换半导体装置10。在该实施例中，等离子体激元空腔中的载流子密度由顶栅11调谐。顶栅11设置在介电层12上面，介电层11使栅极11从两个水平栅13和14绝缘。这些栅极为长度L的等离子体空腔用作边界。通过施加电压到栅极13和14，栅极下二维系统的区域可以耗尽或富集，这向二维载流子层4增加密度不均匀性并形成缺陷15和16。

对于某些缺陷类型，介电层12是不必需的。例如图5和6图解这样的情况。在该实施例35中，在等离子体空腔中使载流子密度摆动的栅极11直接设置在结构2的顶部上。缺陷36和37可以实施为两个约束。它们都用作长度L的等离子体空腔的边界，并参与整流过程。

参考图1到6，理解尽管装置1示作具有一个缺陷5，并且装置10和35示作具有两个缺陷15和16（36和37），但任何数目的缺陷与不同种类的等离子体空腔可以在任何装置实施例中使用。例如，图7和8示出装置实施例17，装置实施例17具有沿二维载流子层4放置在随机位置的多个栅缺陷18（由电压19下的栅极形成）。栅极19约束一系列等离子体激元空腔。理解各种缺陷18和栅极19可以通过金属化、通过二维电荷导线或通过已知或以后发展任何其它方法独立互连。这些互连不在附图中示出从而避免混乱。另外，尽管没有示出，但根据本发明的装置的实施例可以包含基础互连装置的阵列。

在装置实施例1、10、35和17中，缺陷起双重作用。它们形成等离子体激元空腔，并且它们也使振荡的等离子体激元电场整流。同时，整流缺陷可以远离等离子体激元空腔放置，如在图9-10中示出。装置20（图9-10）包含由调谐栅11形成的空腔，以及通过小狭缝38和39从空腔分离的两个密度不均匀性缺陷23和24。密度不均匀性缺陷23和24由两个栅极21和22产生。该实施例对基于MOSFET结构的装置实现特别重要。

如上面讨论，等离子体空腔的可调谐性可以用数个方式实施。在装置25（图11）中，例如依靠导电微悬臂26使等离子体空腔的介电环境摆动。该悬臂用作具有源自2D电荷层的可控制距离的浮动栅。在布置27（图12）中，可调谐参数是磁场的量值。同样在图12中示出的是用于例如在箭头29方向上生成（通过众所周知的方法）给定量值的磁场的独立源28，或具有在箭头29方向上延伸的至少一个磁场分量。等离子体激元空腔的可调谐性也可以通过调整空腔的大小来实现。例如，装置30（图13）可以具有改变空腔大小的活动栅31和32。

为将入射太-吉赫兹辐射耦合到在装置中传播的等离子体激励，可以使用天线的系统。具有天线的这样装置的例子在图14中示出。

尽管上面描述的全部实施例包含矩形的二维载流子层，但许多其它形状也可以挑选并最优化。同样，可以使用到载流子层的任意形状的任何数目触点。

由入射吉-太赫兹辐射引起的装置响应（例如光电压、光电流、光电容、光电感）在数个装置实施例中实验观察到。大多数实验用18纳米宽的GaAs/AlGaAs量子势井执行，该量子势井设置在晶体表面下135nm。由本发明人实验研究的第一实施例与装置1相同，并在图15的插图中进一步示出。通过施加电压到背栅，使装置中的电子密度从0.5×10¹¹cm^-2调谐到4.5×10¹¹cm^-2。n⁺GaAs背栅在量子势井下面d=765nm的距离原位生长。是装置的部分的二维电子层具有带形，该带型具有以下几何尺寸：带宽度W=50μm，并且有效等离子体激元腔室的长度L=400μm。样品放置在过大的16×8mm波导中或窗户后面的光学低温恒温器（optical cryostat）中。在低温恒温器的情况下，太赫兹辐射依靠准光学反射器和透镜聚焦在样品。以10GHz到1THz范围的频率并用从10到0.1mW的通常输出功率操作的一组反向波振荡器用来以连续波辐射照明装置。

图15为三个不同频率示出光电压装置响应的通常函数作为电子密度的函数。测量光电压在触点7和8之间。轨迹为清晰垂直偏移，并且箭头指示没有辐射在样品上入射时的零信号电平。在每条轨迹中，观察到一系列振荡。最大值源于等离子体波的相长干涉，其中在有效等离子体激元腔室中的波向量q=nπ（n=1，2，3K）在触点7和二维电子层的栅区6之间形成。在图15中的光电压振荡与入射辐射的频率一起改变。因此，装置可以用作“片上分光计”。只要等离子体激元频谱已知，辐射的频率可以从最大值的密度位置容易计算。

图16展示相同装置1实施例操作，但具有另一几何尺寸：带宽度W=50μm，并且有效等离子体激元腔室的长度L=100μm。第一，从图16明显，具有不同大小的等离子体激元腔室覆盖不同的频率范围。第二，装置操作频率越高，需要的等离子体激元腔室越小。在操作频率和腔室大小之间的该关系主要由在频率提高时等离子体激元相干长度强烈下降的事实导致。

如果引入外部磁场，那么方程（1）不再描述二维电子层中的等离子体激元扩散，并且光电压振荡中的某些改变必然发生。图17图解存在磁场的情况下观察到的振荡。图17的底部部分示出光电压装置响应在磁场的垂直分量保持在固定水平时示出。由于等离子体激元频谱中的改变，因此在磁场的量值增加时振荡最大值之间的距离收缩。图17的顶部部分示出装置实施例1的操作，其中装置可调谐性依靠使磁场的量值摆动来实施。光电压振荡似乎是B-周期性的，具有与辐射频率成反比的周期。

图18图解装置，其中两个栅缺陷15和16（例如图3、4）在单独装置10上实施，并且中心等离子体激元腔室的密度由顶栅11调谐。等离子体激元腔室的宽度W=50μm，并且它的长度L=100μm。上曲线表示在耗尽电压施加到栅极13并且没有电压施加到栅极14时的装置振荡响应。底曲线表示在耗尽电压施加到栅极14并且没有电压施加到栅极13时的相反情况。振荡展现在装置上入射的频率87.5GHz的单色辐射的频谱。关于图18讨论的装置实施例提供从受两个容易调谐的缺陷15和16约束的分离等离子体激元腔室测量光响应的机会，缺陷15和16与缺陷和不可调谐的触点边界相反。由于调整两个独立参数的能力，因此后面的装置实施提供一种更优方式以控制在等离子体激元腔室中传播的等离子体波。装置的更优可控制性通过在工作缺陷交替时振荡改变它们极性的事实来图解。

具有等离子体激元腔室大小L=50μm的装置实施例1的分光计操作的装置温度相关性在图19中呈现。在纵轴上标示的值为辐射频率90GHz表现在B=0.5T的接近n_s=4×10¹¹cm^-2的振荡振幅。振荡周期不取决于温度，并且在温度从4.2K增加到70K时振幅仅稍微降低。对于成功操作，设备可以包含用于冷却所述固态结构的装置。这可以用数个方式实施。例如，通过使用氮冷却系统或珀耳帖致冷器。

上面呈现的实验数据仅说明本发明。不意图详尽或约束本发明的保护范围到公开的例子和实施例。尽管本发明的各种方面关于电磁波检测方法讨论，但应理解公开的发现、方法和探索可以在其它基于辐射的技术中利用。这些技术可以包括辐射的生成、混合和/或倍频。

因此，本发明的各种实施例的前面描述仅为说明和描述的目的呈现，并且不限制要求的发明的保护范围。因此，必须理解许多修改和变化在本发明的保护范围内是可能的。可以对本领域技术人员明显的这样的修改和变化意图包括在以下权利要求的保护范围内。

Claims (38)

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是镓，As是砷，以及Al是铝。

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：Si MOSFET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。

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