一種由太赫茲波調控的超晶格器件結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種由太赫茲波調控的超晶格器件結構,至少包括：半導體超晶格器件；該半導體超晶格器件設有襯底及位于其上且由勢壘和勢阱交替堆疊而成的周期性結構；位于該周期性結構上的重摻雜接觸層及該重摻雜接觸層上的上電極；與該半導體超晶格器件構成閉合回路的電阻、施加于超晶格生長方向的太赫茲波及施加于垂直于超晶格生長方向的磁場。將太赫茲波耦合進超晶格實現了對電子運動狀態的調控。在太赫茲場和磁場作用下，通過測量超晶格外電路的電流或者電阻兩端的電壓得到超晶格微帶電子的運動狀態。本發明的器件結構工藝簡單，可以很方便的實現對超晶格體系中電子運動狀態的調制。
【專利說明】-種由太赫茲波調控的超晶格器件結構
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種太赫茲光電器件技術，特別是涉及一種由太赫茲波調控的超晶格 器件結構。
【背景技術】
[0002] 太赫茲（ter址ertz，T化，口化=10口化）波通常是指頻率在0. 1-lOTHz，相應的波 長從3mm到30 ym范圍內，位于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當寬的電磁波。由于其自身 獨特的物理性質，太赫茲波在高速通信、物質檢測和頻譜分析等方面具有廣闊的應用前景， 太赫茲科學技術已成為對現代科學技術、國民經濟和國防建設有重要影響的前沿學科。
[0003] 太赫茲光子能量很低，頻率為iraz的電磁波能量約為4meV。半導體超晶格的特征 能量，如微帶寬度、帶隙、費米能級、等離子體振蕩頻率、Bloch振蕩頻率等都處于太赫茲光 子能量范圍。因此，太赫茲波與半導體超晶格微結構的相互作用能夠顯示出許多有趣的物 理現象和豐富的物理內涵，如T化福照下載流子吸收、T化誘導的多光子共振隧穿W及多光 子磁聲子共振等。
[0004] 近年來，半導體超晶格中的混沛現象引起了人們的關注。理論研究發現，在太赫茲 波和磁場共同作用下，半導體超晶格中的電子表現出周期、準周期W及混沛等不同的狀態。 該些不同的電子動力學性質受到太赫茲波的振幅、磁感應強度等參數的控制。通過改變太 赫茲波的振幅，電子的動力學性質就可能會發生改變，因而可W利用太赫茲波調控超晶格 微帶電子的運動狀態。
【發明內容】
[0005] 鑒于W上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種由太赫茲波調控的超 晶格器件結構，用于解決現有技術中超晶格器件中電子運動狀態得不到有效調制的問題。
[0006] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種由太赫茲波調控的超晶格器件 結構，所述器件結構至少包括：半導體超晶格器件；所述半導體超晶格器件至少包括：襯底 及位于該襯底上且由勢壘和勢阱交替堆疊構成的周期性結構；位于所述周期性結構上表面 的重慘雜接觸層W及位于該重慘雜接觸層上表面的上電極；位于所述襯底上的下電極；所 述器件結構還包括：連接于所述半導體超晶格器件上、下電極且與所述半導體超晶格器件 構成閉合回路的電阻、施加于所述半導體超晶格器件中超晶格生長方向的太赫茲波W及施 加于垂直于所述超晶格生長方向的磁場。
[0007] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述勢壘由 Al,3Ga".,As構成；所述勢阱由GaAs構成；所述周期性結構的周期數為100。
[0008] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述周期性結 構為N型慘雜結構，并且所述周期性結構兩端的慘雜濃度在超晶格生長方向上呈梯度漸 變。
[0009] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述周期性結 構在靠近襯底處的慘雜濃度在超晶格生長方向上呈遞減。
[0010] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述周期性結 構在靠近上電極處的慘雜濃度在超晶格生長方向上呈遞增。
[0011] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述勢壘的寬 度為2. 8皿；所述勢阱的寬度為6. 2皿。
[0012] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述襯底和所 述重慘雜接觸層為n -GaAso
[0013] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述上電極和 所述下電極為Au-Ge-Ni合金。
[0014] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述半導體超 晶格器件的微帶寬度為22meV〇
[0015] 作為本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構的一種優選方案，所述襯底 的慘雜濃度為2Xl〇i 8cnT3;所述半導體超晶格器件除去兩端的中央區域的慘雜濃度為 lXl〇i4cm-3。
[0016] 如上所述，本發明的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，具有W下有益效果；本發 明設計了一種半導體超晶格器件結構，提出了將太赫茲波禪合進超晶格實現對電子動力學 調控的實施方案。由于電子電流密度與Z方向運動速度成正比，測量到的電流密度可W反 映超晶格內微帶電子的運動狀態。外加太赫茲福射可W采用二氧化碳激光器作為粟浦源激 勵N&氣體產生，同時在超晶格器件上施加磁場。在太赫茲場和磁場作用下，可W通過測量 超晶格外電路的電流或者測量外電路串聯電阻兩端的電壓來得到超晶格微帶電子的運動 狀態。在電流比較微弱的情況下還可W采用低噪聲電流/電壓放大器將信號放大后進行測 量，采用本發明的由太赫茲調控的超晶格器件結構其結構和制作工藝簡單，可W方便、直觀 且準確的調制超晶格體系中電子運動狀態，克服了 W往超晶格體系電子調控手段復雜，制 作工作繁瑣的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1顯示為本發明的半導體超晶格器件在電場和磁場共同作用下的電路示意圖。 [001引 圖2顯示為本發明中歸一化頻率《= 0. 736(a)、1. 201(b)和1. 52(c)時，電子平 均速度uj迫時間的演化。
[0019] 圖3顯示為本發明的GaAs/Alu.3Gau.7As超晶格器件最低微帶的能量色散關系。
[0020] 圖4顯示為本發明的GaAs/AlnjGanjAs超晶格器件結構圖。
[0021] 元件標號說明
[0022] 01 半導體超晶格器件
[0023] 02 電阻
[0024] 10 襯底
[00巧]11 周期性結構
[0026] 110 勢壘
[0027] 111 勢阱
[0028] 12 重慘雜接觸層
[002引 13 上電極
[0030] 14 下電極
【具體實施方式】
[0031] W下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所掲露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可W通過另外不同的具體實 施方式加W實施或應用，本說明書中的各項細節也可W基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0032] 請參閱圖1至圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅W示意方式說明 本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態也可能更為復雜。
[0033] 如圖1所示，圖1顯示的是本發明的半導體超晶格器件01在電場和磁場共同作用 下的電路示意圖。本發明的所述由太赫茲波調控的超晶格器件結構至少包括：半導體超晶 格器件01、電阻02 W及施加于所述半導體超晶格器件01中超晶格生長方向的太赫茲波W 及施加于垂直于所述超晶格生長方向的磁場。其中，如圖1所示，所述電阻02連接于所述 半導體超晶格器件01的兩端并與所述半導體超晶格器件01構成閉合回路。
[0034] 如圖4所示，本實施例中，所述半導體超晶格器件01包括襯底10及位于該襯底10 上的周期性結構11，位于所述周期性結構11上表面的重慘雜接觸層12 W及位于該重慘雜 接觸層12上表面的上電極13 ;位于所述襯底10上的下電極14。圖1中，所述器件結構還 包括：連接于所述半導體超晶格器件01上、下電極14且與所述半導體超晶格器件01構成 閉合回路的電阻02、施加于所述半導體超晶格器件01中超晶格生長方向的太赫茲波W及 施加于垂直于所述超晶格生長方向的磁場，本實施例中將水平向右的方向規定為Z方向， 也是超晶格生長的方向；規定垂直紙面向里的方向為X方向，也是所施加的磁場B的方向； 規定豎直向上的方向為y方向；其中太赫茲場的方向沿所述超晶格生長的方向。本發明中 的所述構成所述周期性結構11由如圖4所示的勢壘110和勢阱111交替堆疊構成；優選 地，所述勢壘110由Ala.sGa。,As構成；所述勢阱111由GaAs構成；本實施例中，所述周期性 結構11的周期數為100。進一步優選地，所述周期性結構11為N型慘雜結構，并且所述周 期性結構11兩端的慘雜濃度在超晶格生長方向上呈梯度漸變。本實施例中，所述周期性結 構11兩端的慘雜濃度在超晶格生長方向上呈遞減，或者所述周期性結構11兩端的慘雜濃 度在超晶格生長方向上呈遞增。進一步優選地，所述周期性結構在靠近襯底處的慘雜濃度 在超晶格生長方向上呈遞減。或者，所述周期性結構在靠近上電極處的慘雜濃度在超晶格 生長方向上呈遞增。
[00巧]本發明中，優選地，所述勢壘110的寬度為2. 8皿；所述勢阱111的寬度為6. 2皿。 并且，所述襯底10和所述重慘雜接觸層12為n+-GaAs。本實施例中，所述上電極13為 Au-Ge-Ni合金；所述下電極14也為Au-Ge-Ni合金。并且，所述半導體超晶格器件01的微 帶寬度為22meV。本發明中，優選地，所述襯底10的慘雜濃度為2Xl〇i 8cnT3;所述半導體超 晶格器件01除去兩端的中央區域的慘雜濃度為lXl〇i4cnT3。
[0036] 本發明的所述由太赫茲波調控的超晶格器件結構的工作原理如下：
[0037] 如圖1所示，所施加的太赫茲場沿著超晶格生長方向（圖1中的z軸方向），磁場方 向垂直于超晶格生長方向（磁場方向垂直紙面向里）。電子在電場作用下（太赫茲波場）沿 著超晶格生長方向運動，其能量色散關系為
【權利要求】
1. 一種由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于，所述器件結構至少包括： 半導體超晶格器件；所述半導體超晶格器件至少包括：襯底及位于該襯底上且由勢壘 和勢阱交替堆疊構成的周期性結構；位于所述周期性結構上表面的重摻雜接觸層以及位于 該重摻雜接觸層上表面的上電極；位于所述襯底上的下電極； 所述器件結構還包括：連接于所述半導體超晶格器件上、下電極且與所述半導體超晶 格器件構成閉合回路的電阻、施加于所述半導體超晶格器件中超晶格生長方向的太赫茲波 以及施加于垂直于所述超晶格生長方向的磁場。
2. 根據權利要求1所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述勢壘 由AluGauAs構成；所述勢講由GaAs構成；所述周期性結構的周期數為100。
3. 根據權利要求2所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述周期 性結構為N型摻雜結構，并且所述周期性結構兩端的摻雜濃度在超晶格生長方向上呈梯度 漸變。
4. 根據權利要求3所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述周期 性結構在靠近襯底處的摻雜濃度在超晶格生長方向上呈遞減。
5. 根據權利要求3所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述周期 性結構在靠近上電極處的摻雜濃度在超晶格生長方向上呈遞增。
6. 根據權利要求3所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述勢壘 的寬度為2. 8nm ;所述勢阱的寬度為6. 2nm。
7. 根據權利要求1所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述襯底 和所述重摻雜接觸層為n+-GaAs。
8. 根據權利要求1所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述上電 極和所述下電極為Au-Ge-Ni合金。
9. 根據權利要求3所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述半導 體超晶格器件的微帶寬度為22meV。
10. 根據權利要求4或5所述的由太赫茲波調控的超晶格器件結構，其特征在于：所述 襯底的摻雜濃度為2X 1018cnT3;所述半導體超晶格器件除去兩端的中央區域的摻雜濃度為 1 X 1014cm 3。
【文檔編號】H01L31/036GK104485368SQ201410801990
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】王長, 曹俊誠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所