半绝缘等离子体波导太赫兹量子级联激光器工艺研究

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1、第５９卷第３期２０１０年３月物理学报Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ，２０１０１０００３２９０／２０１０／５９（０３）／２１６９０４ＡＣＴＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ２０１０Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．半绝缘等离子体波导太赫兹量子级联激光器工艺研究黎华韩英军谭智勇张戎曹俊诚（信息功能材料国家重点实验室，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海２０００５０）（２００９年５月３１日收到；２００９年７月８日收到修改稿）采用气态源分子束外延设备生长了ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ束缚态到连续态跃迁结构的太赫兹（ＴＨｚ）量子级联激光

2、器（ＱＣＬ）有源区结构，研究了半绝缘等离子体波导ＴＨｚＱＣＬ的器件工艺，采用远红外傅里叶变换光谱仪以及探测器测量了器件的电光特性２．器件激射频率为３２ＴＨｚ，１０Ｋ下的阈值电流密度为２７５Ａ／ｃｍ．关键词：太赫兹，量子级联激光器，波导，器件工艺ＰＡＣＣ：９５８０Ｇ，７２８０Ｅ，７８２０Ｊ［１２］［１３］波模式）和１８６Ｋ（脉冲模式）．１引言目前最高工作温度的ＴＨｚＱＣＬ器件采用的是共振声子有源区设计以及双面金属波导结构．共振量子级联激光器（ＱＣＬ）是一种电抽运的单极器声子ＴＨｚＱＣＬ设计中通过快速的纵光学（ＬＯ）声子件，电子

3、通过在子带间的光学跃迁辐射出光子．在散射来实现下激光能级的电子抽取，抽取效率高，从［１４，１５］ＱＣＬ中，子带能级之间的能量差由量子阱和垒的宽而可以实现较大的粒子数反转．但是这种结构度决定．通过改变势阱和势垒的宽度，可以改变激射的器件阈值电流密度很高，器件焦耳热很大．双面金能级之间的能量差，从而控制辐射光子的频率，这称属波导结构限制因子高，阈值增益低，适合高温工之为“能带工程”．一个完整的ＱＣＬ的有源区由几十作．然而双面金属波导结构的器件光束发散角大，光甚至几百个周期组成，电子每经过一个周期就发射功率低．本文所研究的ＴＨｚＱＣＬ

4、器件采用束缚态到一个光子．现在，ＱＣＬ的波长覆盖范围可以从连续态跃迁有源区设计以及半绝缘等离子体波导结［１］［２］３μｍ一直到２５０μｍ，通过外加磁场的辅助，长构．我们详细介绍了半绝缘等离子体波导ＴＨｚＱＣＬ波方向甚至可以到３５０μｍ［３］．目前，还没有另外一的制作工艺，并且给出了器件的电光性能测试结果．种电抽运的半导体激光器可以覆盖这么宽范围的电磁波谱．第一个中红外ＱＣＬ是由Ｆａｉｓｔ及其合作者２有源区结构、工艺以及性能测试共同研制成功的［４］，这项工作一直被誉用为“能带工程”的先例．一直以来，研究人员在太赫兹（ＴＨｚ）我们

5、研究的ＴＨｚＱＣＬ器件有源区结构采用束理论方面，例如ＴＨｚ光吸收、ＴＨｚ源和探测等等，做缚态到连续态跃迁设计，与Ｂａｒｂｉｅｒｉ等人的结构设［５—９］［１６］了大量的研究．在实验上，世界上首个ＴＨｚＱＣＬ计类似．整个有源区材料采用气态源分子束外延于２００２年诞生，其激射频率为４４ＴＨｚ［１０］．之后，由（ＧＳＭＢＥ）设备生长在半绝缘ＧａＡｓ（１００）衬底之于有源区设计和波导结构的不断优化，ＴＨｚＱＣＬ器上．首先在ＧａＡｓ（１００）之上生长一层ＧａＡｓ缓冲层，＋件性能经历了快速的发展．目前，ＴＨｚＱＣＬ的最高激接着生长一层７００

6、ｎｍ厚的ｎＧａＡｓ下接触层（掺杂射功率为２５０ｍＷ［１１］，最高工作温度为１１７Ｋ（连续浓度为２×１０１８ｃｍ－３）．在下接触层之上生长ＴＨｚ国家重点基础研究发展计划（批准号：２００７ＣＢ３１０４０２），国家自然科学基金（批准号：６０７２１００４，６０６０６０２７）、中科院重要方向项目（批准号：ＫＧＣＸ２ＹＷ２３１），中科院重大基金和“百人计划”资助的课题．通讯联系人．Ｅｍａｉｌ：ｊｃｃａｏ＠ｍａｉｌ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃｎ２１７０物理学报５９卷ＱＣＬ有源区结构，有源区由９０个周期组成，每个周期又由９个ＧａＡｓ阱组成．在有

7、源区之上，生长一层＋８０ｎｍ厚的ｎＧａＡｓ上接触层（掺杂浓度为５×１８－３１０ｃｍ）．至此，就完成了整个ＴＨｚＱＣＬ材料外延结构的生长．图１为自洽计算的束缚态到连续态跃迁ＴＨｚＱＣＬ的能带结构图．在外加偏压Ｆ＝２５４ｍＶ／ｍｏｄｕｌｅ下，电子从上一周期的束缚态能级２跃迁到本周期连续态中的能级１上发射ＴＨｚ光子．计算得到的发射ＴＨｚ光子的能量为Ｅ２１＝１３２ｍｅＶ（３１９ＴＨｚ），辐射谐振强度为ｆ２１＝１０２．能级１上的电子在微带内通过电子电子散射进入基态，然后注入到下一周，完成整个输运过程．图１束缚态到连续态跃迁ＴＨｚ

8、ＱＣＬ导带结构图（从左到右，一ＭＢＥ生长完的ＴＨｚＱＣＬ有源区材料采用半绝个周期内各层厚度分别为３６／１３２／０５７／８５／０５７／１４９／１４／缘等离子体波导工艺制作器件．整个工艺流程如图１２０／１７／１１５／１９／１１３／１９／１０