CN1297837C - 窄带通滤光片式的太赫兹量子阱相干光源芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带通滤光片式的太赫兹量子阱相干光源芯片，它是利用分子束外延技术在衬底上生长一个单量子阱，再利用衬底剥离技术分别在其上下两面镀膜形成无序型薄膜，使量子阱成为窄带通滤光片的谐振腔层，整个芯片结构为窄带通滤光片式。这种结构可以使量子阱只吸收频率范围较窄的飞秒激光，避免了因飞秒激光频率展宽而引起的THz发光强度降低。作为发光部分的量子阱正好处于窄带通滤光片的谐振腔层，飞秒激光在该结构中多次来回反射，极大地增强量子阱对飞秒激光的吸收，从而提高其THz发光强度。

Description

窄带通滤光片式的太赫兹量子阱相干光源芯片
技术领域
本发明涉及一种太赫兹(THz)相干光源芯片，具体是指一种窄带通滤光片式的THz量子阱相干光源芯片。
背景技术
THz辐射通常是指波长在0.3mm～30μm区间(1～10THz)的电磁辐射，其波段是介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，是一个包含了丰富的科学信息但技术上尚未成熟的波段。在该波段区域存在着广泛的应用前景，如化学检测，天文学和医学成像等。但是制约THz电磁辐射方面的研究与应用的重要因素之一在于其辐射的产生及光源的研究。
有关THz电磁辐射研究以及应用的前提就是THz光源，及THz辐射的产生。它也一直是THz电磁辐射研究的一个主要制约方面。在上世纪九十年代以前，由于缺乏有效的光源，人们难以进入这个领域。近年来THz光源的研究取得了较大的进展。目前THz光源主要有：光导天线，量子级联激光，自由电子激光器以及电光晶体参量振荡器等。比较成熟的是基于飞秒激光激发半导体芯片产生THz光，如常用的光电导天线就是利用飞秒激光脉冲照在GaAs芯片上形成载流子加速运动来产生THz辐射。近十几年来超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激光激发光源，而芯片的设计和制备就成为了其中的关键技术。
目前THz光源通常以耦合量子阱为芯片核心，这种芯片结构的一个明显缺点是激发的THz光强度低，很难满足应用需求。其主要原因之一是因为耦合量子阱对飞秒激光的吸收率比较低，原理上就不可能得到较强的THz激发光；而且由于飞秒激光的频率展宽较大，通常会将右边阱中第二空穴能级上的电子也激发到导带上，但其相干运动恰好与左边阱中激发的电子相干运动反向，从而引起相干相消的作用，使激发的THz发光强度进一步降低。虽然可以通过对量子阱的改性设计来提高量子阱的非线性，从而提高量子阱的发光效率，但仍难以满足实际需求。
发明内容
基于上述已有的耦合量子阱芯片存在的问题，本发明的目的是提供一种能提高量子阱对飞秒激光吸收效率，从而提高其发光强度的窄带通滤光片式的THz量子阱相干光源芯片。
本发明的设计方案是：利用分子束外延技术在衬底上生长一个单量子阱；再分别在其上下两面镀膜形成无序型薄膜，使量子阱成为窄带通滤光片的谐振腔层，整个芯片结构本身起到了窄带通滤光片的作用，可以使量子阱只吸收频率范围较窄的飞秒激光，避免了因飞秒激光频率展宽而引起的THz发光强度降低；作为发光部分的量子阱正好处于窄带通滤光片的谐振腔层，飞秒激光在该结构中多次来回反射，极大地增强量子阱对飞秒激光的吸收，从而提高其THz发光强度。
本发明的窄带通滤光片式的THz量子阱相干光源芯片结构如图1所示，包括：玻璃基片1，在玻璃基片1上依次有全反射薄膜2、无序型薄膜3、单量子阱4、无序型薄膜5。在单量子阱4的上、下二面边缘处有下电极层6和上电极层7。
所说的单量子阱4，由AlAs势垒层401、AlxGa1-xAs势阱层402、GaAs势阱层403和AlyGay-1As势垒层404组成，其中AlxGa1-xAs势阱层402和GaAs势阱层403组成一个阶梯势阱，见图2a。
所说的无序型薄膜3、5是由低折射率的二氧化硅无序性膜层301、501与高折射率的五氧化二钽无序性膜层302、502交替叠层多次真空蒸镀组成，见图2b。
本发明的芯片有如下积极效果和优点：
1.本发明的量子阱阶梯势阱有着较强的非线性，能获得较高的THz发光强度；
2.量子阱处在窄带通滤光片的谐振腔层，显著地提高了量子阱对飞秒激光的吸收，其发光强度可提高1个数量级以上。
3.窄带通滤光片式的芯片结构，将不需要的频段的光过滤掉，避免了多能级电子激发对电子相干运动造成的负面影响，从而避免了量子阱发光效率的降低。
4.在本发明中还采用了无序型的滤光片结构，这种设计能有效减小滤光片制备过程中膜系涨落对滤光片性能的影响。
附图说明
图1为本发明芯片的结构示意图；
图2a为量子阱结构示意图，图2b为无序型窄带通滤光片的结构示意图；
图3为采用滤光片结构(实线)和未采用滤光片结构(虚线)芯片的吸收光谱图；
图4为飞妙激光在窄带通滤光片式的量子阱芯片中的场强分布；
图5为本发明芯片的透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的芯片设计及具体实施方式作详细说明：
根据不同的要求我们可以设计制备不同激发频率的芯片结构，在此以激发频率为2THz的芯片为例。
1.芯片设计
芯片设计包括量子阱结构设计和窄带通滤光片结构设计两部分。
(1)量子阱结构设计：
在此我们采用了二阶非线性系数很高的阶梯量子阱作为芯片的发光部分，量子阱材料选用通常的GaAs/AlGaAs，其结构参见图2a。其可变参数包括：
AlxGa1-xAs势阱层402的x组分；AlyGay-1As势垒层404的y组分；GaAs势阱层403的厚度L1；AlxGa1-xAs势阱层404的厚度L2以及加在量子阱上的电压V，x的取值范围为0.1～0.4，y的取值范围为0.2～0.6，L1、L2的取值范围为5～30纳米，外加电压V为0～60kv/cm。
应用计算机计算语言的Fortran对以下a到e步步骤进行编程计算：
a.循环变化参数值(x，y，L1，L2，V)。
b.根据a步骤中给出的量子阱参数，计算其势能结构，并分别计算出其导带和价带的波函数以及能级。根据f＝ΔE/h计算出其输出频率(ΔE为导带量子阱第一二电子能级能量间距)。
c.计算量子阱的波函数和能级。如果输出频率f在2THz左右，就计算此时量子阱的THz发光强度。
d.将参数值(x，y，L1，L2，V)以及发光强度记录在一个文件中。返回第a步，循环变化量子阱参数进行计算。
e.在记录文件中找一个发光强度最大的方案(x，y，L1，L2，V)作为最佳方案。
其a到e步的参数循环过程如下：
x＝0.1
Do while(x.lt.0.4)
y＝0.2
Do while(y.lt.0.6)
L1＝5
Do while(L1.lt.30)
L2＝5
Do while(L2.lt.30)
V＝0
Do while(V.lt.60)
…………
V＝V+1
Enddo
L2＝L2+1
Enddo
L1＝L1+1
Enddo
y＝y+0.05
Enddo
x＝x+0.1
Enddo
输出频率为2THz最优方案的单量子阱参数为：
x＝0.1，y＝0.3，L1＝6nm，L2＝19nm，V＝25kv/cm，所需的飞秒激光的波长范围为788～792nm；
(2)窄带通滤光片结构设计：
根据输出频率为2THz的无序型窄带通滤光片的透射范围为788～792nm，中心波长为790nm，无序型膜系参数见表1，其具体设计过程参见中国专利，申请号：01139082.4。
2.芯片制备：
首先采用常规的分子束外延生长工艺，在GaAs衬底上依次生长AlAs牺牲层，厚度为100纳米，AlAs势垒层401，厚度为100纳米；GaAs势阱层402，厚度L2为19纳米；AlxGa1-xAs势阱层403，厚度L1为6纳米；以及AlyGa1-yAs势垒层404，厚度为100纳米。所说的AlyGa1-yAs势垒层中y组分为0.3。所说的AlxGa1-xAs势阱层中x组分为0.1。
然后通过掩膜的方法在势垒层404的边缘处蒸发AuGeNi/Au下电极层7，在势垒层404上按表1的无序性薄膜5的层数编号从1到20真空蒸镀无序性薄膜5。
然后利用衬底剥离技术将GaAs衬底剥离，即将芯片浸泡在配制好的腐蚀液(成分为17％的HF酸)中，腐蚀液通过选择性腐蚀迅速腐蚀AlAs牺牲层，便将GaAs衬底与所生长的量子阱层相互分离开，得到了衬底剥离的芯片。将衬底剥离后的芯片放置在一块表面镀铟锡氧全反射薄膜2的玻璃基片1上，并使无序薄膜5牢固紧贴在铟锡氧(ITO)全反射薄膜2上。
通过掩膜的方法在在势垒层401的边缘处蒸发AuGeNi/Au上电极层6，在势垒层401上按表1的无序性薄膜3的层数编号从20到1真空蒸镀无序性薄膜3。
一个窄带通滤光片式的量子阱太赫兹光源芯片就制备完毕。
当飞秒激光从芯片的玻璃基片一侧正入射时，就可在芯片的另一侧获得输出的THz相干光。图3实线为窄带通滤光片式的量子阱THz相干光源芯片的吸收光谱，虚线为未加滤光片结构的量子阱芯片的吸收光谱。结果表明，在波长为790纳米处，阶梯量子阱芯片的吸收率仅为3.623％，而将其集成到滤光片结构中以后，吸收率提高到44.423％，提高了11倍多，而发光强度也相应地提高了11倍。图4是波长为790纳米的激光在滤光片式的量子阱THz相干光源芯片中的场强分布，对应图中沿芯片生长方向的折射率。由图可见，芯片中谐振腔位置(即阶梯量子阱处)的场强非常高，几乎是入射波场强的4倍。综合以上结果可发现在我们的芯片结构中，场强在阶梯量子阱处集聚，极大地提高了量子阱的吸收效率，这将最终达到提高发光强度的目的。
通过滤光片结构，芯片还把激发量子阱不需要的频段过滤掉。飞秒激光具有频率扩展很宽的特点，这使得某些频段的光可能将第二重空穴带或者其他空穴带的电子激发到导带上，但他们有可能被激发到阶梯量子阱的右边，与初始激发到左边的电子的运动方向相反，这会对电子的相干运动产生负面影响，从而减弱量子阱的发光强度。由于滤光片的作用，所需频率之外的激光将被反射而不能进入到芯片中被吸收，从而避免了芯片因吸收所需频率之外的激光而引起的发光强度降低。图5为窄带通滤光片式的量子阱THz相干光源芯片的透射谱，结果表明所设计该芯片在790纳米处有一个透射峰，其半峰宽仅为4纳米，完全符合我们的选频要求，即只透过所需频段很窄的激光，同时滤掉所有其他频段的激光。
玻璃基片上的ITO膜对飞妙激光是透明的，但对THz光是全反射的，它可将产生的THz光向一个方向全反射，从而提高了芯片的THz产生效率。
         表1  窄带通滤光片式的THz量子阱相干光源芯片的结构参数表
  结构   层数   材料   厚度(nm)   折射率   消光系数
  无序性薄膜3   1   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  2   Ta2O5   95   2.16   1.0e-5
  3   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  4   Ta2O5   67.1   2.16   1.0e-5
  5   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  6   Ta2O5   93.4   2.16   1.0e-5
  7   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  8   Ta2O5   80.5   2.16   1.0e-5
  9   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  10   Ta2O5   70.8   2.16   1.0e-5
  11   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  12   Ta2O5   67.3   2.16   1.0e-5
  13   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  14   Ta2O5   66.9   2.16   1.0e-5
  15   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  16   Ta2O5   78.4   2.16   1.0e-5
  17   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  18   Ta2O5   35   2.16   1.0e-5
  19   SiO2   138.3   1.44   1.0e-5
  20   Ta2O5   86   2.16   1.0e-5
  量子阱4   1   Al0.3Ga0.7As   20   3.15   1.0e-5
  2   GaAs   6   3.3   0.128
  3   Al0.1Ga0.9As   19   3.25   1.0e-5
4   Al0.3Ga0.7As   20   3.15   1.0e-5
  无序性薄膜5   1   SiO2   88.9   1.44   1.0e-5
  2   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  3   SiO2   90.6   1.44   1.0e-5
  4   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  5   SiO2   96.4   1.44   1.0e-5
  6   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  7   SiO2   101.7   1.44   1.0e-5
  8   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  9   SiO2   112.8   1.44   1.0e-5
  10   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  11   SiO2   108.6   1.44   1.0e-5
  12   Ta2O5   53.4   2.16   1.0e-5
  13   SiO2   66.9   1.44   1.0e-5
  14   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  15   SiO2   101.9   1.44   1.0e-5
  16   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  17   SiO2   68   1.44   1.0e-5
  18   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5
  19   SiO2   86.6   1.44   1.0e-5
  20   Ta2O5   138.3   2.16   1.0e-5

Claims (1)

1.一种窄带通滤光片式的太赫兹量子阱相干光源芯片，包括：玻璃基片(1)，其特征在于：
在玻璃基片(1)上依次有全反射薄膜(2)、无序型薄膜(5)、单量子阱(4)、无序型薄膜(3)，在单量子阱(4)的上、下二面边缘处有下电极7和上电极6；
所说的单量子阱(4)，由AlAs势垒层(401)、AlxGa1-xAs势阱层(402)、GaAs势阱层(403)和AlyGay-1As势垒层(404)依次组成，其中AlxGa1-xAs势阱层(402)和GaAs势阱层(403)组成一个阶梯势阱；
所说的无序型薄膜(3、5)是由低折射率的二氧化硅无序性膜层(301、501)与高折射率的五氧化二钽无序性膜层(302、502)交替叠层多次真空蒸镀组成。
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