專利名稱：一種量子阱太赫茲探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)的太赫茲(THz)探測(cè)器。
背景技術(shù)：
介于微波與紅外光之間的波長(zhǎng)在30微米到1000微米范圍內(nèi)的THz電磁輻射，在無(wú)線通訊、公共安全、天文、醫(yī)學(xué)成像與超快光譜等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。其中，半導(dǎo)體量子阱THz探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)理想高效固態(tài)THz探測(cè)的技術(shù)途徑之一，是THz領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這種探測(cè)器是在多量子阱結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)器(QWIP)基礎(chǔ)上，通過(guò)降低勢(shì)壘層中的勢(shì)壘高度來(lái)減小勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間距的方法，將其探測(cè)范圍發(fā)展到涵蓋THz波段的。用可控制的生長(zhǎng)方法對(duì)這種量子阱THz探測(cè)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可改變其探測(cè)效率和頻率等關(guān)鍵參數(shù)，滿足不同的實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)所謂人工裁剪的目的。這種類型的探測(cè)器是通過(guò)利用勢(shì)阱層中電子在子帶能級(jí)間的躍遷來(lái)響應(yīng)入射THz輻射的。但基于此工作原理的的量子阱THz探測(cè)器固有一些QWIP結(jié)構(gòu)的本征缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)由躍遷定則決定的探測(cè)器中子帶躍遷須有光柵耦合或45度磨角耦合，導(dǎo)致對(duì)入射的THz輻射吸收效率低；2)由量子約束原理確定的探測(cè)器探測(cè)頻率不能調(diào)節(jié)，或者調(diào)節(jié)很困難；3)由導(dǎo)帶或價(jià)帶的帶內(nèi)子帶間復(fù)合決定的載流子壽命短而引起的響應(yīng)度小。對(duì)這些缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，是發(fā)展高效新型量子阱THz探測(cè)器所必須要面對(duì)的問(wèn)題。半導(dǎo)體中廣泛存在著的類氫施主雜質(zhì)，會(huì)在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間引入一系列分立的施主能級(jí)。電子在基態(tài)與高激發(fā)態(tài)的施主能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)，將對(duì)應(yīng)著THz波段輻射的吸收或發(fā)射。因此，半導(dǎo)體中的類氫施主能級(jí)間的電子躍遷也可用來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)。這種不同于前述傳統(tǒng)量子阱探測(cè)器的THz探測(cè)原理，已經(jīng)在半導(dǎo)體體材料器件中得到應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)量子阱THz探測(cè)器而言，這些基于類氫施主能級(jí)間電子躍遷的探測(cè)器在光吸收效率、探測(cè)頻率可調(diào)與響應(yīng)度等方面，表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，目前還未能在量子阱THz探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)利用類氫施主能級(jí)間電子躍遷來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)的目的。這是因?yàn)閷?duì)于量子阱結(jié)構(gòu)的勢(shì)阱層中的施主雜質(zhì)電子而言，即使其吸收了 THz輻射后發(fā)生了從基態(tài)到高激發(fā)態(tài)的施主能級(jí)間的躍遷，依然被束縛在勢(shì)阱的底部，不能對(duì)探測(cè)器外電路中的光電流做出貢獻(xiàn)；對(duì)于量子阱結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層中的施主雜質(zhì)電子而言，由于其基態(tài)施主能級(jí)的位置比勢(shì)阱中子帶能級(jí)的位置都高很多，導(dǎo)致基態(tài)施主能級(jí)上沒(méi)有電子占據(jù)，因而也就無(wú)法對(duì)入射THz輻射進(jìn)行響應(yīng)。由此可見(jiàn)，需要發(fā)展新方法和技術(shù)手段，對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子進(jìn)行有效調(diào)控，使得在半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中可直接利用施主能級(jí)間的電子躍遷來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)，有利用發(fā)展高效新型的量子阱THz探測(cè)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種應(yīng)用外加磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)勢(shì)壘層中施主能級(jí)與勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間相互作用的有效調(diào)控，使電子首先發(fā)生自勢(shì)阱層基態(tài)子帶能級(jí)向勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移，然后再利用轉(zhuǎn)移后的電子在勢(shì)壘層中施主能級(jí)間的躍遷來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)的半導(dǎo)體量子阱THz探測(cè)器。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種量子阱太赫茲探測(cè)器，包括多量子阱半導(dǎo)體芯片和超導(dǎo)磁體系統(tǒng)；所述多量子阱芯片為在半絕緣的GaAs襯底上依次排列生長(zhǎng)的Si摻雜GaAs下電極層、AlGaAs勢(shì)壘層和GaAs勢(shì)阱層組成的多量子阱層、AlGaAs勢(shì)壘層、Si摻雜GaAs上電極層組成；所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、電流控制箱、外殼、內(nèi)膽、液氦池和超導(dǎo)線圈；計(jì)算機(jī)與電流控制箱和多量子阱半導(dǎo)體芯片電連接；電流控制箱與超導(dǎo)線圈電連接；外殼和內(nèi)膽之間的夾層為液氦池，液氦池內(nèi)注有液氦；超導(dǎo)線圈置在液氦池內(nèi)；內(nèi)膽內(nèi)為變溫室，多量子阱半導(dǎo)體芯片位于變溫室底部；被探測(cè)的THz波通過(guò)變溫室中的波導(dǎo)管入射到多量子阱芯片上；所述多量子阱層的AlGaAs勢(shì)壘層與GaAs勢(shì)阱層的導(dǎo)帶邊高度差導(dǎo)致的多量子阱層中的電子的基態(tài)子帶能級(jí)eO與激發(fā)態(tài)子帶能級(jí)el的能量差值對(duì)應(yīng)THz波段且在有限大小的磁場(chǎng)作用下，eO能級(jí)能升高達(dá)到與Is能級(jí)相同的高度。所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)超導(dǎo)線圈中電流的大小，可實(shí)現(xiàn)在0-12T范圍內(nèi)磁場(chǎng)的連續(xù)變化。當(dāng)所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，所述GaAs勢(shì)阱層中的電子向AlGaAs勢(shì)魚(yú)層中施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移,并通過(guò)在施主能級(jí)間的躍遷來(lái)響應(yīng)入射THz 波。當(dāng)所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)，所述量子阱太赫茲探測(cè)器的探測(cè)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性比例關(guān)系。所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)的臨界值的大小由AlGaAs勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)與GaAs勢(shì)講層中基態(tài)子帶能級(jí)間的差值決定。本發(fā)明的磁場(chǎng)調(diào)控的量子阱太赫茲探測(cè)器與傳統(tǒng)的磁場(chǎng)調(diào)控的量子阱THz探測(cè)器既有相似之處也有根本的差異。相似之處在于，對(duì)勢(shì)壘層中施主能級(jí)與勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間相互作用進(jìn)行調(diào)控所使用的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)相同，所使用的半導(dǎo)體芯片都是多量子阱結(jié)構(gòu)。根本差異則有多個(gè)方面。第一，本發(fā)明中的多量子阱半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)特殊計(jì)算、設(shè)計(jì)出來(lái)的，必須滿足在一定外磁場(chǎng)作用下勢(shì)阱層基態(tài)子帶能級(jí)能夠上移到與勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)相同能級(jí)高度的條件。第二，本發(fā)明的量子阱THz探測(cè)器對(duì)THz輻射響應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)層與探測(cè)原理不同，它利用的是勢(shì)壘層中施主能級(jí)間的電子躍遷來(lái)響應(yīng)THz輻射的；而傳統(tǒng)的量子阱THz探測(cè)器利用的是勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間的電子躍遷來(lái)響應(yīng)THz輻射。第三，傳統(tǒng)的量子阱THz探測(cè)器對(duì)THz輻射的探測(cè)是一步過(guò)程，只要施加外磁場(chǎng)作用就可以開(kāi)始工作。而本發(fā)明的量子阱THz探測(cè)器對(duì)THz輻射的探測(cè)是兩步過(guò)程，第一步是先調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)到臨界磁場(chǎng)Be,使基態(tài)子帶能級(jí)eO上升到與勢(shì)魚(yú)層中基態(tài)施主能級(jí)Is相同的能級(jí)高度、電子發(fā)生從勢(shì)阱層向勢(shì)壘層的空間轉(zhuǎn)移；第二步才是在比臨界磁場(chǎng)Be更強(qiáng)的外加磁場(chǎng)中進(jìn)行THz輻射探測(cè)工作的。簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的磁場(chǎng)調(diào)控的新型量子阱THz探測(cè)器所設(shè)計(jì)的量子阱半導(dǎo)體芯片的能級(jí)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、對(duì)THz輻射進(jìn)行探測(cè)所依賴的物理原理與內(nèi)部物理過(guò)程迥異。采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下的積極的效果:(1)本發(fā)明在外加磁場(chǎng)增加到臨界磁場(chǎng)Be以后，由于利用了施主能級(jí)間的電子躍遷來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)，本發(fā)明的量子阱太赫茲探測(cè)器不需要光柵耦合或45度磨角耦合，能在正入射條件下吸收響應(yīng)THz輻射，克服了傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)探測(cè)器原理上導(dǎo)致的缺點(diǎn)，大幅度提高了響應(yīng)度。
(2)由于在外加磁場(chǎng)作用下，施主能級(jí)會(huì)隨磁場(chǎng)變化發(fā)生明顯的移動(dòng)，可用于對(duì)量子阱太赫茲探測(cè)器的探測(cè)頻率進(jìn)行大范圍的有效調(diào)節(jié)，推動(dòng)了量子阱太赫茲探測(cè)器在成像與光譜等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。(3)由于外加磁場(chǎng)使量子阱太赫茲探測(cè)器形成了類量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，即在z方向上受到半導(dǎo)體材料本身的能帶勢(shì)的限制，而在χ-y平面上則有磁場(chǎng)導(dǎo)致的磁場(chǎng)限制勢(shì)，從而使探測(cè)器的能態(tài)密度從二維限制下的臺(tái)階形演變成具有S特征的分立線特征，可顯著抑制熱輔助的暗電流和聲子散射幾率，有利于探測(cè)器降低暗電流、提高探測(cè)率。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中圖1為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測(cè)器的多量子阱芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測(cè)器在臨界磁場(chǎng)作用下進(jìn)行太赫茲探測(cè)的原理示意圖。圖4為本發(fā)明的量子阱太赫茲探測(cè)器光響應(yīng)光譜圖。附圖中標(biāo)號(hào)為:
具體實(shí)施例方式(實(shí)施例1)見(jiàn)圖1和圖2，本實(shí)施例的一種量子阱太赫茲探測(cè)器，包括多量子阱半導(dǎo)體芯片13和超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的多量子阱芯片13是利用典型的半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)，如分子束外延技術(shù)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)等，制備工藝成熟。在半絕緣的GaAs襯底I上依次排列生長(zhǎng):厚度為800nm的Si摻雜的GaAs下電極層2 ；交替生長(zhǎng)30或50個(gè)周期的由AlGaAs勢(shì)壘層和GaAs勢(shì)阱層組成的多量子阱層3 ；20nm 厚的 AlGaAs 勢(shì)魚(yú)層 4 ；厚度為400nm的Si摻雜的GaAs上電極層5。多量子阱層3中的AlxGal-xAs勢(shì)壘層的高度，由Al組分x進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇x組分大小為0.03，即Al組分為3%，Ga組分為97%。勢(shì)壘的高度與GaAs勢(shì)阱層的厚度一起決定了探測(cè)器在零磁場(chǎng)中可探測(cè)到的THz波長(zhǎng)的大小。見(jiàn)圖2,本實(shí)施例所用的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)為Oxford Instruments Limited生產(chǎn)的，型號(hào)為S11/12L-40-13。多量子阱芯片13位于該系統(tǒng)的變溫室12的底部。變溫室12中不直接盛放液氦，但與液氦池10有熱交換，因此多量子阱芯片13的低溫工作環(huán)境不需要額外的制冷系統(tǒng)。被探測(cè)的THz波通過(guò)波導(dǎo)管14入射到變溫室12中的多量子阱芯片13上，被多量子阱芯片13所探測(cè)。調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體線圈11中的電流，就改變了多量子阱芯片13周圍磁場(chǎng)的大小。多量子阱層3的AlGaAs勢(shì)壘層與GaAs勢(shì)阱層的導(dǎo)帶邊高度差需滿足:1、高度差導(dǎo)致的多量子阱層3中的電子的基態(tài)子帶能級(jí)eO與激發(fā)態(tài)子帶能級(jí)el的能量差值對(duì)應(yīng)THz波段；2、量子阱中的電子的基態(tài)子帶能級(jí)eO會(huì)隨磁場(chǎng)增加而線性升高，升高的速度為每單位磁場(chǎng)增加e/m%此處e為電子電荷，nf為電子的有效質(zhì)量。勢(shì)壘層中Is能級(jí)基本不隨磁場(chǎng)變化。因此，高度差必須滿足，在有限大小的磁場(chǎng)作用下，eO能級(jí)能升高達(dá)到與Is能級(jí)相同的高度。只有這樣，電子才能從量子阱勢(shì)阱層中轉(zhuǎn)移到勢(shì)壘層中在有限大小的磁場(chǎng)作用下，eO能級(jí)能升高達(dá)到與Is能級(jí)相同的高度。超導(dǎo)線圈11電流的大小由計(jì)算機(jī)6、電流控制箱7控制，通過(guò)調(diào)節(jié)超導(dǎo)線圈11中電流的大小，可實(shí)現(xiàn)在0-12T范圍內(nèi)磁場(chǎng)的連續(xù)變化。當(dāng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，GaAs勢(shì)阱層中的電子向AlGaAs勢(shì)壘層中施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移，并通過(guò)在施主能級(jí)間的躍遷來(lái)響應(yīng)入射THz波。當(dāng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)，量子阱太赫茲探測(cè)器的探測(cè)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性比例關(guān)系。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)的臨界值的大小由AlGaAs勢(shì)魚(yú)層中基態(tài)施主能級(jí)與GaAs勢(shì)講層中基態(tài)子帶能級(jí)間的差值決定。調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體線圈11中的電流，就改變了太赫茲探測(cè)器周圍磁場(chǎng)的大小，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子阱太赫茲探測(cè)器中勢(shì)壘層中施主能級(jí)與勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間相互作用的調(diào)控。如圖3所示。當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到一定臨界值后，量子阱勢(shì)阱中的電子發(fā)生從子帶能級(jí)向勢(shì)壘層中施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移，并在入射THz輻射作用下，實(shí)現(xiàn)從基態(tài)向高激發(fā)態(tài)的施主能級(jí)間的躍遷。這些躍遷到高激發(fā)態(tài)施主能級(jí)的電子在熱作用下繼續(xù)躍遷到勢(shì)壘層的導(dǎo)帶上，并最終被與探測(cè)器連接的外電路收集、成為光電流信號(hào)被與探測(cè)器相連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所記錄。見(jiàn)圖3，本發(fā)明中磁場(chǎng)調(diào)控勢(shì)壘層中施主雜質(zhì)電子能級(jí)與勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間相互作用使電子發(fā)生自勢(shì)阱層基態(tài)子帶能級(jí)向勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移的過(guò)程及量子阱太赫茲探測(cè)器的基本工作原理說(shuō)明如下:無(wú)外加磁場(chǎng)或者所施加外加磁場(chǎng)小于臨界磁場(chǎng)Be之前,勢(shì)講中基態(tài)子帶能級(jí)eO處于勢(shì)魚(yú)層基態(tài)施主能級(jí)Is之下。量子講中自由電子主要占據(jù)在基態(tài)子帶能級(jí)eO上。此時(shí)，量子阱THz探測(cè)器對(duì)入射輻射的響應(yīng)依賴電子在勢(shì)阱層中的子帶能級(jí)間的躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)，如從eO子帶能級(jí)躍遷到el子帶能級(jí)。此時(shí),量子講THz探測(cè)器工作在傳統(tǒng)工作原理模式下，如圖3所示。當(dāng)所施加的外加磁場(chǎng)達(dá)到臨界磁場(chǎng)Be時(shí)，量子阱THz探測(cè)器的工作模式開(kāi)始發(fā)生改變。由于Zeeman效應(yīng)的作用，勢(shì)阱中基態(tài)子帶能級(jí)eO的位置會(huì)隨磁場(chǎng)增大而升高。在外加磁場(chǎng)達(dá)到臨界磁場(chǎng)Be時(shí)，基態(tài)子帶能級(jí)eO剛好上升到與勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)Is相同的能級(jí)高度，如圖4所示。其中橫向虛線表示基態(tài)子帶能級(jí)eO在磁場(chǎng)未到達(dá)臨界磁場(chǎng)之前的位置，空心箭頭代表eO隨外加磁場(chǎng)增加而上升的方向。于是，原先只占據(jù)基態(tài)子帶能級(jí)eO的電子，在各種散射機(jī)制作用下，發(fā)生了向基態(tài)施主能級(jí)Is的轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步，量子阱THz探測(cè)器對(duì)入射THz輻射的響應(yīng)即可通過(guò)電子在勢(shì)壘層中的Is能級(jí)向2p+及更高激發(fā)態(tài)施主能級(jí)的躍遷來(lái)完成。這些發(fā)生躍遷的電子隨后在熱效應(yīng)的作用下進(jìn)一步躍遷到勢(shì)壘層的導(dǎo)帶Ec上，被連接探測(cè)器外電路所收集，從而達(dá)到探測(cè)入射THz輻射的目的。在GaAs阱寬為50A，AlxGal_xAs勢(shì)壘高度為30meV，勢(shì)阱中電子的有效質(zhì)量為0.067m0條件下，電子的基態(tài)子帶能級(jí)為23.0meV。在外加磁場(chǎng)的作用下,基態(tài)子帶能級(jí)的第零朗道能級(jí)eO的位置隨磁場(chǎng)增加而升高。當(dāng)磁場(chǎng)增大到臨界值4.5T時(shí)，eO能級(jí)的位置達(dá)到與勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)Is相同的高度。此時(shí)，在庫(kù)倫勢(shì)等散射作用下，電子開(kāi)始從eO能級(jí)向Is能級(jí)發(fā)生轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移過(guò)程發(fā)生后，在入射THz波段輻射作用下，這些電子開(kāi)始發(fā)生從Is能級(jí)向高激發(fā)態(tài)施主能級(jí)的躍遷，并繼續(xù)在在熱作用下躍遷到勢(shì)壘層的導(dǎo)帶上、被與探測(cè)器連接的外電路收集，達(dá)到了對(duì)THz波段輻射進(jìn)行探測(cè)的目的。隨后，當(dāng)外加磁場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，由于Zeeman效應(yīng),勢(shì)魚(yú)層中雜質(zhì)電子的高激發(fā)態(tài)能級(jí)也將發(fā)生移動(dòng)，這樣就達(dá)到了調(diào)節(jié)此新型量子阱THz探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)的目的。磁場(chǎng)臨界值的大小決定于勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)與勢(shì)阱層中基態(tài)子帶能級(jí)間的差值。在常規(guī)超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)條件下，即磁場(chǎng)強(qiáng)度小于15T時(shí)，磁場(chǎng)臨界值與前述能級(jí)間差值保持著線性變化的關(guān)系。以上述方式實(shí)施的磁場(chǎng)控制的新型量子阱THz探測(cè)器，它的光響應(yīng)光譜圖如圖4所示，從圖中可以看到，相對(duì)于傳統(tǒng)量子阱THz探測(cè)器的光響應(yīng)(如圖4中的虛線所示)，本發(fā)明的探測(cè)器其光響應(yīng)提升了 5倍(如圖4中的實(shí)線所示)，所以其響應(yīng)度提高了 5倍達(dá)到2.0A/W，探測(cè)頻率的調(diào)節(jié)范圍可從3.2THz調(diào)節(jié)到4.0THz以上。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種量子阱太赫茲探測(cè)器，包括多量子阱半導(dǎo)體芯片(13)和超導(dǎo)磁體系統(tǒng)；所述多量子阱芯片(13)為在半絕緣的GaAs襯底(I)上依次排列生長(zhǎng)的Si摻雜GaAs下電極層⑵、AlGaAs勢(shì)壘層和GaAs勢(shì)阱層組成的多量子阱層(3)、AlGaAs勢(shì)壘層(4)、Si摻雜GaAs上電極層(5)組成；所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(6)、電流控制箱(7)、外殼(8)、內(nèi)膽(9)、液氦池(10)和超導(dǎo)線圈(11);計(jì)算機(jī)(6)與電流控制箱(7)和多量子阱半導(dǎo)體芯片(13)電連接；電流控制箱(7)與超導(dǎo)線圈(11)電連接；外殼⑶和內(nèi)膽(9)之間的夾層為液氦池(10)，液氦池(10)內(nèi)注有液氦；超導(dǎo)線圈(11)置在液氦池(10)內(nèi)；內(nèi)膽(9)內(nèi)為變溫室(12)，多量子阱半導(dǎo)體芯片(13)位于變溫室(12)底部；被探測(cè)的THz波通過(guò)變溫室(12)中的波導(dǎo)管(14)入射到多量子阱芯片(13)上；其特征在于:所述多量子阱層(3)的AlGaAs勢(shì)壘層與GaAs勢(shì)阱層的導(dǎo)帶邊高度差導(dǎo)致的多量子阱層(3)中的電子的基態(tài)子帶能級(jí)eO與激發(fā)態(tài)子帶能級(jí)el的能量差值對(duì)應(yīng)THz波段且在有限大小的磁場(chǎng)作用下，e0能級(jí)能升高達(dá)到與Is能級(jí)相同的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測(cè)器，其特征在于:所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)超導(dǎo)線圈(11)中電流的大小，可實(shí)現(xiàn)在0-12T范圍內(nèi)磁場(chǎng)的連續(xù)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測(cè)器，其特征在于:當(dāng)所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，所述GaAs勢(shì)阱層中的電子向AlGaAs勢(shì)壘層中施主能級(jí)的轉(zhuǎn)移，并通過(guò)在施主能級(jí)間的躍遷來(lái)響應(yīng)入射THz波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子阱太赫茲探測(cè)器，其特征在于:當(dāng)所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)，所述量子阱太赫茲探測(cè)器的探測(cè)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性比例關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種量子阱太赫茲探測(cè)器，其特征在于:所述超導(dǎo)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)的臨界值的大小由AlGaAs勢(shì)壘層中基態(tài)施主能級(jí)與GaAs勢(shì)阱層中基態(tài)子帶能級(jí)間的差值決定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種量子阱太赫茲探測(cè)器，該探測(cè)器由多量子阱芯片和超導(dǎo)磁體系統(tǒng)組成。通過(guò)施加外加磁場(chǎng)，對(duì)多量子阱芯片勢(shì)壘層中施主能級(jí)與勢(shì)阱層中子帶能級(jí)間相互作用進(jìn)行有效調(diào)控，導(dǎo)致電子從勢(shì)阱層中基態(tài)子帶能級(jí)向勢(shì)壘層中施主能級(jí)轉(zhuǎn)移，并利用勢(shì)壘層中施主能級(jí)間的電子躍遷來(lái)探測(cè)入射THz輻射。本發(fā)明在外加磁場(chǎng)增加到臨界磁場(chǎng)Bc以后，由于利用了施主能級(jí)間的電子躍遷來(lái)進(jìn)行THz探測(cè)，本發(fā)明的量子阱太赫茲探測(cè)器不需要光柵耦合或45度磨角耦合，能在正入射條件下吸收響應(yīng)THz輻射，克服了傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)探測(cè)器原理上導(dǎo)致的缺點(diǎn)，大幅度提高了響應(yīng)度。
文檔編號(hào)G01J1/42GK103107230SQ20111035892
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者張波, 余晨輝, 陸衛(wèi), 李寧, 陳平平, 甄紅樓, 王文娟, 李志鋒, 李天信, 陳效雙 申請(qǐng)人:常州光電技術(shù)研究所, 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所