專利名稱：一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法
一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法
技術領域
本發(fā)明屬于太赫茲波通信領域，尤其涉及一種太赫茲波調(diào)制器及其制作方法。
技術背景
無線通信的有限頻譜資源和迅速增長的高速業(yè)務需求的矛盾迫使人們?nèi)ラ_發(fā)新的頻譜波段。太赫茲波是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波(1 THz = IO12 Hz)，波長為0.03 mm到3 mm，具有很大的帶寬，因此發(fā)展THz無線通信技術具有重要的實際應用價值。其中太赫茲波調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)中必不可少的器件之一，而目前太赫茲調(diào)制器的性能主要受限于材料的選擇和制備。新型半導體基底材料和電磁超材料 (meta-material)的有機結合有望實現(xiàn)太赫茲某些關鍵技術，尤其是太赫茲調(diào)制技術的突破。
近年來所報道的THz波調(diào)制器有利用半導體塊狀材料對THz波進行調(diào)制的方法。 中國計量學院的李九生等基于超高電阻率的硅(Si)晶片，利用808 nm激光照射產(chǎn)生光生載流子對THz波進行調(diào)制。由于超高電阻率Si片中載流子的復合壽命較長，所以其調(diào)制速率僅為0.2k bps。砷化鎵GaAs中載流子的壽命較短，有可能成為制備高速太赫茲調(diào)制器的基底材料。捷克的L. !^ekete等人采取在交替層疊的SiO2和MgO周期結構中嵌入一層 GaAs缺陷層的辦法以構成一維光子晶體，利用GaAs在810 nm激光照射下產(chǎn)生的光生載流子的濃度變化來調(diào)制光子晶體的透過特性，從而實現(xiàn)高速調(diào)制THz波的目的。但由于GaAs 中載流子的壽命較短，響應時間可以達到130 ps量級，所以雖然理論上對THz波的調(diào)制速率可以達到GHz量級，但為了獲得較高的光生載流子濃度和較大的調(diào)制深度，810 nm調(diào)制激光的光通量需達到0.8 μ J/cm2的極高量級，其對應的連續(xù)波輸出激光功率則需要達到 IO5 W以上，這使其在實際應用中受到極大限制。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明提供了一種太赫茲波調(diào)制器，從而克服現(xiàn)有砷化鎵基底中載流子的復合壽命過短以致需要超強功率的調(diào)制激光器的缺陷，實現(xiàn)了在低功率調(diào)制激光的激發(fā)條件下也能對太赫茲波進行高速調(diào)制。
技術方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種太赫茲波高速調(diào)制器，包括襯底層，在該襯底層上生長有一緩沖層，在該緩沖層生長有應變量子阱結構， 在該應變量子阱結構的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結構；所述應變量子阱結構包括兩個以上的勢壘層和至少一個勢阱層，所述勢阱層處于兩勢壘層中間，且所述應變量子阱結構最上層和最下層都是勢壘層；所述襯底層是< 111 >面取向，所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢阱層的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或者相差不超過0. 5%。
當太赫茲波依次通過金屬超材料結構、應變量子阱結構、緩沖層、最后從襯底層的下表面射出的同時，另有一束波長為SlOnm的調(diào)制激光入射到量子阱，激發(fā)光生載流子，由于所述應變量子阱結構中勢壘層和勢阱層的晶格失配從而產(chǎn)生強壓電場能夠有效的分離光生載流子中的電子和空穴，從而顯著增加光生載流子的濃度和復合壽命，極大的降低所需外部調(diào)制激光器的功率。
作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢壘層材料是砷化鎵，所述勢阱層材料是銦鎵砷?；蛘咚鲆r底層和緩沖層是砷化鎵，所述勢壘層材料是鋁鎵砷，所述勢阱層材料是鎵砷磷。
作為優(yōu)選，所述應變量子阱結構中勢壘層和勢阱層都是< 111 >面取向，所述勢壘層厚度為10 300nm，所述勢阱層厚度為1 30nm。
作為優(yōu)選，所述緩沖層厚度為20 300nm。
作為優(yōu)選，所述金屬超材料結構中金屬諧振單元的厚度為0. 2 5微米，周期為 20 80微米。
本發(fā)明的另一個目的是提供了一種上述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，具體包括以下步驟a、通過金屬有機物化學氣相外延技術(MOCVD)或分子束外延技術(MBE)在<111 >面取向的襯底層上生長一層緩沖層；b、然后繼續(xù)在該緩沖層上依次生長<111 >面取向的勢壘層、勢阱層和勢壘層，從而構成< 111 >面取向的應變單量子阱層，其中勢阱層選用的材料的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或相差在0. 5%以內(nèi)；C、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應變量子阱結構上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結構。
作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢壘層均由砷化鎵構成，所述勢阱層由銦鎵砷構成。
有益效果與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點通過在<111>取向的襯底上生長<111>取向的應變量子阱結構，在量子阱內(nèi)部獲得極強的壓電場；該壓電場能夠有效地分離光生載流子中的電子和空穴，顯著地延長光生載流子的復合壽命和增加載流子濃度，從而能極大地降低對外部調(diào)制激光器功率的要求；與此同時，通過改變<111>取向的 InGaAs/GaAs應變量子阱中h的組分和量子阱寬度，可以靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場的大小和電荷空間分離的程度，進而可以根據(jù)需要，方便地調(diào)節(jié)太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速率，調(diào)制速率可達到IOMbps以上。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明所述應變量子阱結構在內(nèi)建壓電場的作用下的能帶結構變化圖； 圖3為本發(fā)明所述實施例中應變量子阱結構內(nèi)壓電場的強度與勢阱層中銦(In)組分含量的關系曲線；圖4為太赫茲波在本發(fā)明所述調(diào)制器調(diào)制下的透過率隨外部激發(fā)光強的變化曲線。
其中，襯底層1、緩沖層2、金屬超材料結構3、勢壘層4、勢阱層5。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
如圖1所示，一種太赫茲波高速調(diào)制器包括<111>取向的半絕緣砷化鎵(GaAs)襯底層1，首先在襯底上通過MOCVD金屬有機物化學氣相外延技術生長一層GaAs緩沖層2，該砷化鎵緩沖層2厚度控制在20到300納米，從而可以將后續(xù)應變量子阱結構中的銦鎵砷勢阱層5與砷化鎵襯底層1之間在晶格常數(shù)存在的較大差異克服，最終獲得高質(zhì)量的< 111 >面取向的應變量子阱結構結構。
然后在該緩沖層2上依次生長< 111 >面取向的砷化鎵勢壘層4、銦鎵砷勢阱層5 和砷化鎵的勢壘層4，從而構成< 111 >面取向的hGaAs/GaAs應變量子阱結構，其中所述砷化鎵勢壘層4的厚度為10到300納米，所述銦鎵砷勢阱層5的厚度為1到30納米；最后在最上層的GaAs表面通過光刻、蒸鍍和刻蝕等工藝技術制備一層由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結構3，該金屬超材料厚度為0. 2 5微米，周期為20 80微米，諧振單元的幾何形狀可為任意電磁共振器單元的形狀。
上述的<111>取向的hGaAs/GaAs量子阱內(nèi)由于晶格失配產(chǎn)生的強壓電場能有效地分離光生載流子中的電子和空穴，從而能顯著地增加光生載流子的濃度和復合壽命，極大地降低所需外部調(diào)制激光器的功率；上述<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱的勢壘層可由與砷化鎵襯底層晶格匹配或者相差在0. 5%以內(nèi)的鋁鎵砷(AKiaAs)材料，而勢阱則可由鎵砷磷(GaAsP)或者其它能帶隙 (band gap)低于勢壘材料而且與襯底材料晶格失配的化合物半導體材料所代替。
受調(diào)制的太赫茲波依次通過金屬超材料結構3、應變量子阱結構、緩沖層2，最后從GaAs(Ill)襯底層1的下表面射出，由太赫茲時域光譜儀(TDQ接收并檢測。同時，另有一束波長為810納米的調(diào)制激光照射到<111>取向的InGaAs/GaAs應變量子阱結構上，激發(fā)光生載流子，其濃度和復合壽命可由應變量子阱結構參數(shù)進行調(diào)控。光生載流子濃度隨調(diào)制光強的改變而變化且與載流子的復合壽命成正比，所以改變調(diào)制激光強度可以影響超材料結構的諧振頻率和諧振強度。通過TDS檢測到的太赫茲波的透射光譜反映的就是經(jīng)過調(diào)制的、強度變化速率與調(diào)制光相同的太赫茲波。
<111>取向的應變量子阱結構的引入是本發(fā)明的核心創(chuàng)新點，也是實現(xiàn)以普通功率的激光器對太赫茲波進行高速調(diào)制的關鍵技術。由于組成<111>取向的應變量子阱的兩種半導體材料的晶格常數(shù)不同，會在量子阱內(nèi)由壓電效應產(chǎn)生一個垂直于量子阱方向的壓電場。如圖2所示，產(chǎn)生的強壓電場( IO5 V/cm)使得量子阱的能帶結構發(fā)生傾斜，從而導致光生載流子中的電子和空穴在空間上的有效分離，因此可以顯著增加光生載流子的濃度和復合壽命。據(jù)估算，光生載流子壽命可由普通GaAs塊狀材料中的幾十皮秒，延長到本發(fā)明<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱結構中的幾十納秒。該數(shù)量級的載流子復合壽命既能夠滿足10 Mbps甚至更高調(diào)制速率的要求，同時又可以大大降低所需調(diào)制激光器的功率，甚至用普通100 mff的商用半導體激光器即可實現(xiàn)。
圖3是計算得到的<111>取向的銦砷鎵/砷化鎵(Ir^GiihAs/GaAs)量子阱中的壓電場強度隨h組分X的變化曲線?？梢郧逦乜闯?，通過改變應變量子阱中的h組分， 能夠調(diào)節(jié)量子阱內(nèi)壓電場的強度，從而控制光生載流子的復合壽命。
圖4是太赫茲波通過本發(fā)明的調(diào)制器的透過率隨外部激發(fā)光強的變化曲線。圖中可見頻率為0. 66 THz處的最大調(diào)制深度可達59 %，調(diào)制速率為10 Mbps。
權利要求
1.一種太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于包括襯底層(1)，在該襯底層(1)上生長有一緩沖層(2)，在該緩沖層(2)生長有應變量子阱結構，在該應變量子阱結構的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結構(3)；所述應變量子阱結構包括兩個以上的勢壘層(4)和至少一個勢阱層(5)，所述勢阱層(5)處于兩勢壘層(4)中間，且所述應變量子阱結構最上層和最下層都是勢壘層；所述襯底層(1)是< 111 >面取向，所述緩沖層 (2)與襯底層(1)材料相同，所述勢阱層(5)的能帶隙小于勢壘層(4)，且所述勢壘層(4)與襯底層(1)的晶格常數(shù)相同或者相差不超過0. 5%。
2.根據(jù)權利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述襯底層(1)、緩沖層 (2)和勢壘層(4)材料是砷化鎵，所述勢阱層(5)材料是銦鎵砷。
3.根據(jù)權利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述襯底層(1)和緩沖層 (2 )是砷化鎵，所述勢壘層(4 )材料是鋁鎵砷，所述勢阱層(5 )材料是鎵砷磷。
4.根據(jù)權利要求2所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述應變量子阱結構中勢壘層(4)和勢阱層(5)都是< 111 >面取向，所述勢壘層(4)厚度為10 300nm，所述勢阱層(5)厚度為1 30nm。
5.根據(jù)權利要求2所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述緩沖層(2)厚度為 20 300nm。
6.根據(jù)權利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器，其特征在于所述金屬超材料結構(3)中金屬諧振單元的厚度為0. 2 5微米，周期為20 80微米。
7.—種權利要求1所述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，其特征在于包括以下步驟a、通過金屬有機物化學氣相外延技術(MOCVD)或分子束外延技術(MBE)在襯底層(1) 上生長一層緩沖層(2);b、然后繼續(xù)在該緩沖層(2)上依次生長<111 >面取向的勢壘層(4)、勢阱層(5)和勢壘層(4)，從而構成< 111 >面取向的應變單量子阱層，其中勢阱層(5)選用的材料的能帶隙小于勢壘層(4)，且所述勢壘層(4)與襯底層(1)的晶格常數(shù)相同或相差不超過0. 5% ；C、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應變量子阱結構上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結構(3)。
8.根據(jù)權利要求8所述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，其特征在于所述襯底層 (1)、緩沖層(2)和勢壘層(4)均由砷化鎵構成，所述勢阱層(5)由銦鎵砷構成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法，包括襯底層，在該襯底層上生長有緩沖層，在該緩沖層生長有應變量子阱結構，在該應變量子阱結構的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結構；所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢阱層的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)的相同或相差0.5%以內(nèi)。本發(fā)明應變量子阱結構內(nèi)具有由應變產(chǎn)生的極強的壓電場，能夠顯著延長光生載流子的復合壽命和濃度，從而極大降低對調(diào)制激光器功率的要求；通過改變InGaAs/GaAs應變量子阱中In組分和量子阱寬度，可靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場的大小和電荷空間分離的程度，進而方便地調(diào)節(jié)本發(fā)明調(diào)制速率。
文檔編號G02F1/017GK102520532SQ20111042733
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權日2011年12月19日
發(fā)明者叢嘉偉, 崔一平, 張 雄, 郭浩 申請人:東南大學