[发明专利]一种量子阱太赫兹探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体多量子阱结构的太赫兹(THz)探测器。

背景技术

介于微波与红外光之间的波长在30微米到1000微米范围内的THz电磁辐射，在无线通讯、公共安全、天文、医学成像与超快光谱等诸多领域有着重要的应用。其中，半导体量子阱THz探测器是实现理想高效固态THz探测的技术途径之一，是THz领域的研究热点。这种探测器是在多量子阱结构的红外探测器(QWIP)基础上，通过降低势垒层中的势垒高度来减小势阱层中子带能级间距的方法，将其探测范围发展到涵盖THz波段的。用可控制的生长方法对这种量子阱THz探测器的结构进行调节，可改变其探测效率和频率等关键参数，满足不同的实际需要，实现所谓人工裁剪的目的。这种类型的探测器是通过利用势阱层中电子在子带能级间的跃迁来响应入射THz辐射的。但基于此工作原理的的量子阱THz探测器固有一些QWIP结构的本征缺点，主要表现在以下几个方面：1)由跃迁定则决定的探测器中子带跃迁须有光栅耦合或45度磨角耦合，导致对入射的THz辐射吸收效率低；2)由量子约束原理确定的探测器探测频率不能调节，或者调节很困难；3)由导带或价带的带内子带间复合决定的载流子寿命短而引起的响应度小。对这些缺点进行改进，是发展高效新型量子阱THz探测器所必须要面对的问题。

半导体中广泛存在着的类氢施主杂质，会在价带与导带之间引入一系列分立的施主能级。电子在基态与高激发态的施主能级之间发生跃迁时，将对应着THz波段辐射的吸收或发射。因此，半导体中的类氢施主能级间的电子跃迁也可用来进行THz探测。这种不同于前述传统量子阱探测器的THz探测原理，已经在半导体体材料器件中得到应用。相对于传统量子阱THz探测器而言，这些基于类氢施主能级间电子跃迁的探测器在光吸收效率、探测频率可调与响应度等方面，表现出了明显的优势。但是，目前还未能在量子阱THz探测器中实现利用类氢施主能级间电子跃迁来进行THz探测的目的。这是因为对于量子阱结构的势阱层中的施主杂质电子而言，即使其吸收了THz辐射后发生了从基态到高激发态的施主能级间的跃迁，依然被束缚在势阱的底部，不能对探测器外电路中的光电流做出贡献；对于量子阱结构的势垒层中的施主杂质电子而言，由于其基态施主能级的位置比势阱中子带能级的位置都高很多，导致基态施主能级上没有电子占据，因而也就无法对入射THz辐射进行响应。由此可见，需要发展新方法和技术手段，对量子阱结构内的电子进行有效调控，使得在半导体量子阱结构中可直接利用施主能级间的电子跃迁来进行THz探测，有利用发展高效新型的量子阱THz探测器。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用外加磁场，通过对势垒层中施主能级与势阱层中子带能级间相互作用的有效调控，使电子首先发生自势阱层基态子带能级向势垒层中基态施主能级的转移，然后再利用转移后的电子在势垒层中施主能级间的跃迁来进行THz探测的半导体量子阱THz探测器。

实现本发明目的的技术方案是一种量子阱太赫兹探测器，包括多量子阱半导体芯片和超导磁体系统；所述多量子阱芯片为在半绝缘的GaAs衬底上依次排列生长的Si掺杂GaAs下电极层、AlGaAs势垒层和GaAs势阱层组成的多量子阱层、AlGaAs势垒层、Si掺杂GaAs上电极层组成；所述超导磁体系统包括计算机、电流控制箱、外壳、内胆、液氦池和超导线圈；计算机与电流控制箱和多量子阱半导体芯片电连接；电流控制箱与超导线圈电连接；外壳和内胆之间的夹层为液氦池，液氦池内注有液氦；超导线圈置在液氦池内；内胆内为变温室，多量子阱半导体芯片位于变温室底部；被探测的THz波通过变温室中的波导管入射到多量子阱芯片上；所述多量子阱层的AlGaAs势垒层与GaAs势阱层的导带边高度差导致的多量子阱层中的电子的基态子带能级e0与激发态子带能级e1的能量差值对应THz波段且在有限大小的磁场作用下，e0能级能升高达到与1s能级相同的高度。

所述超导磁体系统通过调节超导线圈中电流的大小，可实现在0-12T范围内磁场的连续变化。

当所述超导磁体系统产生的外加磁场强度达到或超过临界值时，所述GaAs势阱层中的电子向AlGaAs势垒层中施主能级的转移，并通过在施主能级间的跃迁来响应入射THz波。

当所述超导磁体系统产生的外加磁场强度超过临界值时，所述量子阱太赫兹探测器的探测频率与磁场强度成线性比例关系。

所述超导磁体系统产生的外加磁场的临界值的大小由AlGaAs势垒层中基态施主能级与GaAs势阱层中基态子带能级间的差值决定。