CN104485368A - 一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构,至少包括：半导体超晶格器件；该半导体超晶格器件设有衬底及位于其上且由势垒和势阱交替堆叠而成的周期性结构；位于该周期性结构上的重掺杂接触层及该重掺杂接触层上的上电极；与该半导体超晶格器件构成闭合回路的电阻、施加于超晶格生长方向的太赫兹波及施加于垂直于超晶格生长方向的磁场。将太赫兹波耦合进超晶格实现了对电子运动状态的调控。在太赫兹场和磁场作用下，通过测量超晶格外电路的电流或者电阻两端的电压得到超晶格微带电子的运动状态。本发明的器件结构工艺简单，可以很方便的实现对超晶格体系中电子运动状态的调制。

Description

一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光电器件技术，特别是涉及一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构。

背景技术

太赫兹(terahertz，THz，1THz＝10¹²Hz)波通常是指频率在0.1-10THz，相应的波长从3mm到30μm范围内，位于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波。由于其自身独特的物理性质，太赫兹波在高速通信、物质检测和频谱分析等方面具有广阔的应用前景，太赫兹科学技术已成为对现代科学技术、国民经济和国防建设有重要影响的前沿学科。

太赫兹光子能量很低，频率为1THz的电磁波能量约为4meV。半导体超晶格的特征能量，如微带宽度、带隙、费米能级、等离子体振荡频率、Bloch振荡频率等都处于太赫兹光子能量范围。因此，太赫兹波与半导体超晶格微结构的相互作用能够显示出许多有趣的物理现象和丰富的物理内涵，如THz辐照下载流子吸收、THz诱导的多光子共振隧穿以及多光子磁声子共振等。

近年来，半导体超晶格中的混沌现象引起了人们的关注。理论研究发现，在太赫兹波和磁场共同作用下，半导体超晶格中的电子表现出周期、准周期以及混沌等不同的状态。这些不同的电子动力学性质受到太赫兹波的振幅、磁感应强度等参数的控制。通过改变太赫兹波的振幅，电子的动力学性质就可能会发生改变，因而可以利用太赫兹波调控超晶格微带电子的运动状态。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构，用于解决现有技术中超晶格器件中电子运动状态得不到有效调制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构，所述器件结构至少包括：半导体超晶格器件；所述半导体超晶格器件至少包括：衬底及位于该衬底上且由势垒和势阱交替堆叠构成的周期性结构；位于所述周期性结构上表面的重掺杂接触层以及位于该重掺杂接触层上表面的上电极；位于所述衬底上的下电极；所述器件结构还包括：连接于所述半导体超晶格器件上、下电极且与所述半导体超晶格器件构成闭合回路的电阻、施加于所述半导体超晶格器件中超晶格生长方向的太赫兹波以及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述势垒由Al_0.3Ga_0.7As构成；所述势阱由GaAs构成；所述周期性结构的周期数为100。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结构为N型掺杂结构，并且所述周期性结构两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度渐变。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结构在靠近衬底处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递减。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述周期性结构在靠近上电极处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述势垒的宽度为2.8nm；所述势阱的宽度为6.2nm。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述衬底和所述重掺杂接触层为n⁺-GaAs。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述上电极和所述下电极为Au-Ge-Ni合金。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述半导体超晶格器件的微带宽度为22meV。

作为本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构的一种优选方案，所述衬底的掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；所述半导体超晶格器件除去两端的中央区域的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3。

如上所述，本发明的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，具有以下有益效果：本发明设计了一种半导体超晶格器件结构，提出了将太赫兹波耦合进超晶格实现对电子动力学调控的实施方案。由于电子电流密度与z方向运动速度成正比，测量到的电流密度可以反映超晶格内微带电子的运动状态。外加太赫兹辐射可以采用二氧化碳激光器作为泵浦源激励NH₃气体产生，同时在超晶格器件上施加磁场。在太赫兹场和磁场作用下，可以通过测量超晶格外电路的电流或者测量外电路串联电阻两端的电压来得到超晶格微带电子的运动状态。在电流比较微弱的情况下还可以采用低噪声电流/电压放大器将信号放大后进行测量，采用本发明的由太赫兹调控的超晶格器件结构其结构和制作工艺简单，可以方便、直观且准确的调制超晶格体系中电子运动状态，克服了以往超晶格体系电子调控手段复杂，制作工作繁琐的缺点。

附图说明

图1显示为本发明的半导体超晶格器件在电场和磁场共同作用下的电路示意图。

图2显示为本发明中归一化频率ω＝0.736(a)、1.201(b)和1.52(c)时，电子平均速度υ_z随时间的演化。

图3显示为本发明的GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格器件最低微带的能量色散关系。

图4显示为本发明的GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格器件结构图。

元件标号说明

01    半导体超晶格器件

02    电阻

10    衬底

11    周期性结构

110   势垒

111   势阱

12    重掺杂接触层

13    上电极

14    下电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，图1显示的是本发明的半导体超晶格器件01在电场和磁场共同作用下的电路示意图。本发明的所述由太赫兹波调控的超晶格器件结构至少包括：半导体超晶格器件01、电阻02以及施加于所述半导体超晶格器件01中超晶格生长方向的太赫兹波以及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。其中，如图1所示，所述电阻02连接于所述半导体超晶格器件01的两端并与所述半导体超晶格器件01构成闭合回路。

如图4所示，本实施例中，所述半导体超晶格器件01包括衬底10及位于该衬底10上的周期性结构11，位于所述周期性结构11上表面的重掺杂接触层12以及位于该重掺杂接触层12上表面的上电极13；位于所述衬底10上的下电极14。图1中，所述器件结构还包括：连接于所述半导体超晶格器件01上、下电极14且与所述半导体超晶格器件01构成闭合回路的电阻02、施加于所述半导体超晶格器件01中超晶格生长方向的太赫兹波以及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场，本实施例中将水平向右的方向规定为z方向，也是超晶格生长的方向；规定垂直纸面向里的方向为x方向，也是所施加的磁场B的方向；规定竖直向上的方向为y方向；其中太赫兹场的方向沿所述超晶格生长的方向。本发明中的所述构成所述周期性结构11由如图4所示的势垒110和势阱111交替堆叠构成；优选地，所述势垒110由Al_0.3Ga_0.7As构成；所述势阱111由GaAs构成；本实施例中，所述周期性结构11的周期数为100。进一步优选地，所述周期性结构11为N型掺杂结构，并且所述周期性结构11两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度渐变。本实施例中，所述周期性结构11两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递减，或者所述周期性结构11两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。进一步优选地，所述周期性结构在靠近衬底处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递减。或者，所述周期性结构在靠近上电极处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。

本发明中，优选地，所述势垒110的宽度为2.8nm；所述势阱111的宽度为6.2nm。并且，所述衬底10和所述重掺杂接触层12为n⁺-GaAs。本实施例中，所述上电极13为Au-Ge-Ni合金；所述下电极14也为Au-Ge-Ni合金。并且，所述半导体超晶格器件01的微带宽度为22meV。本发明中，优选地，所述衬底10的掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；所述半导体超晶格器件01除去两端的中央区域的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3。

本发明的所述由太赫兹波调控的超晶格器件结构的工作原理如下：

如图1所示，所施加的太赫兹场沿着超晶格生长方向(图1中的z轴方向)，磁场方向垂直于超晶格生长方向(磁场方向垂直纸面向里)。电子在电场作用下(太赫兹波场)沿着超晶格生长方向运动，其能量色散关系为其中，为普朗克常数，Δ为微带宽度，波矢d为超晶格的周期。基于所述半导体超晶格器件01和阻抗为R的所述电阻02组成一个闭合回路。外加太赫兹场为E_ext(t)＝E_Ωcos(Ωt)，其振幅为E_Ω，角频率为Ω。在电磁场作用下超晶格中会形成空间电流并产生自洽电场E_sc，从而导致在超晶格两端形成电势差U，其关系可以表示为E_sc＝U/l，其中l为超晶格器件的长度。超晶格中的电流密度J包括两部分，即位移电流j_disp＝(Ξ/4π)dE_sc/dt和弹道电子电流j_ball＝-eNV_z，其中Ξ是超晶格的平均介电常数，e是电子电量，N是载流子体密度，V_z是电子沿z方向的平均运动速度。由图1中回路的Kirchoff电流定律，可以得到自洽电场与电子速度的关系[(Ξ/4π)dE_sc/dt-eNV_z]S+E_scl/R＝0，也可以写作如下形式，

$\frac{{\mathrm{dE}}_{\mathrm{sc}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\Ξ}}e{\mathrm{NV}}_z-\mathrm{\Λ}{E}_{\mathrm{sc}},---\left(1\right)$

其中，Λ＝(RC)^-1是电路的弛豫频率，C＝ΞS/4πl是超晶格的等效电容，S是超晶格的横截面积。考虑到自洽电场的存在，作用在微带电子的电场强度E_tot(t)为外加电场E_ext(t)和自洽电场E_sc(t)之和。当匀强磁场B平行于x方向施加到超晶格系统后，电子在电场和磁场共同作用下运动，同时运动过程中会发生弹性和非弹性散射过程。在弛豫时间近似下，这一过程可以用以下方程描述：

$\frac{d{V}_y}{\mathrm{dt}}=-\frac{e{\mathrm{BV}}_z}{m^{*}}-{\mathrm{\Γ}}_y{V}_y,---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{dV}}_z}{\mathrm{dt}}=\frac{e[E_{\mathrm{tot}}\left(t\right)-{\mathrm{BV}}_y}{m\left({\mathrm{\ϵ}}_z\right)}-{\mathrm{\Γ}}_z{V}_z,---\left(3\right)$

(4)；其中，ε_z是电子在z方向的平均能量，ε_eq,z是平衡态能量，Γ_y、Γ_z和Γ_ε分别是平均电子速度V_y，V_z和平均能量ε_z的弛豫时间。电子有效质量与z方向能量之间的关系满足m(ε_z)＝m₀/(1-2ε_z/Δ)，其中是电子在微带底部时的有效质量。我们对上述方程中的物理量进行归一化，采用以下缩放因子包括：t_s＝1/ω_s，归一化后的物理量表示为：速度磁场 $B=\mathrm{eB}/\left({\mathrm{\ω}}_s\sqrt{m_0{m}^{*}}\right),$ 时间τ＝t/t_s，外加电场的角频率ω＝Ω/ω_s，电场强度E_ω＝E_Ω/E_s，能量w＝(ε_z-Δ/2)/(Δ/2)，平衡能量w₀＝(ε_eq,z-Δ/2)/(Δ/2)，作用在微带电子的电场E(τ)＝[E_sc(τ)+E_Ωcos(ωτ)]/E_s，弛豫频率分别为γ_y＝Γ_y/ω_s，γ_z＝Γ_z/ω_s，γ_ε＝Γ_ε/ω_s，α＝Λ/ω_s。通过求解归一化后的方程，可以得到不同交流场和磁场时，电子沿z方向的电子速度υ_z随时间的演化关系，如图2所示。电子平均速度υ_z的运动状态分别为混沌(图2中的(a))、准周期(图2中的(b))和周期(图2中的(c))。由于电子电流密度与z方向运动速度成正比，测量到的电流密度可以反映超晶格内微带电子的运动状态。

本实施例采用的半导体超晶格由GaAs构成势阱111，宽度为6.2nm；Al_0.3Ga_0.7As构成势垒110，宽度为2.8nm。其最低微带的能量色散关系如图3所示，微带宽度为22meV。

本实施例中制作所述超晶格器件结构的方法如下：

步骤一：利用分子束外延技术在n⁺-GaAs(掺杂浓度为N_d＝2×10¹⁸cm^-3)衬底10上生长100个周期的GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格交叠层。GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格为n型掺杂，掺杂浓度为N_d＝1×10¹⁴cm^-3。超晶格两端采用成份和掺杂水平渐变的梯度层来避免形成异质结。

步骤二：完成所述超晶格交叠层的生长之后，再在所述周期性结构11的上表面生长n⁺-GaAs重掺杂接触层12。

步骤三：采用热蒸发的方法在n⁺-GaAs重掺杂接触层12上蒸镀Au-Ge-Ni上电极13。

步骤四：将所述上电极13用光刻胶保护，利用湿法刻蚀进行对所述超晶格交叠层进行器件台面腐蚀，直到刻蚀到衬底10为止，形成本发明的上表面有上电极13的所述周期性结构11，该步骤需要精确控制刻蚀深度，以免造成刻蚀深度不足没有达到衬底10或者刻蚀过量将衬底10刻蚀掉。

步骤五：接着将上表面有上电极13的所述周期性结构11用光刻胶保护起来，在衬底10上制作Au-Ge-Ni下电极14。

步骤六：最后进行快速热退火处理，使上下电极14和所述周期性结构11形成欧姆接触。形成的所述半导体超晶格器件01结构图如图4所示。

本发明中所施加的太赫兹辐射可以采用二氧化碳激光器作为泵浦源激励NH₃气体产生，同时在超晶格器件上施加磁场。在太赫兹场和磁场作用下，可以通过测量超晶格外电路的电流或者测量外电路串联电阻02两端的电压来得到超晶格微带电子的运动状态。若电路中的电流比较微弱，可采用低噪声电流/电压放大器将信号放大后测量。

综上所述，本发明设计了一种半导体超晶格器件01结构，提出了将太赫兹波耦合进超晶格实现对电子动力学调控的实施方案。由于电子电流密度与z方向运动速度成正比，测量到的电流密度可以反映超晶格内微带电子的运动状态。外加太赫兹辐射可以采用二氧化碳激光器作为泵浦源激励NH₃气体产生，同时在超晶格器件上施加磁场。在太赫兹场和磁场作用下，可以通过测量超晶格外电路的电流或者测量外电路串联电阻两端的电压来得到超晶格微带电子的运动状态。在电流比较微弱的情况下还可以采用低噪声电流/电压放大器将信号放大后进行测量，采用本发明的由太赫兹调控的超晶格器件结构其结构和制作工艺简单，可以方便、直观且准确的调制超晶格体系中电子运动状态，克服了以往超晶格体系电子调控手段复杂，制作工作繁琐的缺点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于，所述器件结构至少包括：

半导体超晶格器件；所述半导体超晶格器件至少包括：衬底及位于该衬底上且由势垒和势阱交替堆叠构成的周期性结构；位于所述周期性结构上表面的重掺杂接触层以及位于该重掺杂接触层上表面的上电极；位于所述衬底上的下电极；

所述器件结构还包括：连接于所述半导体超晶格器件上、下电极且与所述半导体超晶格器件构成闭合回路的电阻、施加于所述半导体超晶格器件中超晶格生长方向的太赫兹波以及施加于垂直于所述超晶格生长方向的磁场。

2.根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述势垒由Al_0.3Ga_0.7As构成；所述势阱由GaAs构成；所述周期性结构的周期数为100。

3.根据权利要求2所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期性结构为N型掺杂结构，并且所述周期性结构两端的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈梯度渐变。

4.根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期性结构在靠近衬底处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递减。

5.根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述周期性结构在靠近上电极处的掺杂浓度在超晶格生长方向上呈递增。

6.根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述势垒的宽度为2.8nm；所述势阱的宽度为6.2nm。

7.根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述衬底和所述重掺杂接触层为n⁺-GaAs。

8.根据权利要求1所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述上电极和所述下电极为Au-Ge-Ni合金。

9.根据权利要求3所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述半导体超晶格器件的微带宽度为22meV。

10.根据权利要求4或5所述的由太赫兹波调控的超晶格器件结构，其特征在于：所述衬底的掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；所述半导体超晶格器件除去两端的中央区域的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3。