專利名稱：一種可調諧超晶格振蕩器的實現方法
技術領域：
本發明涉及一種一種可調諧超晶格振蕩器的實現方法，更確切地說涉及一 種利用磁場和電場對電場疇的控制來實現超晶格振蕩器振蕩頻率的調節。該 方法在研制基于半導體超晶格的可調諧振蕩器方面有潛在的應用價值。
背景技術：
半導體超晶格[L. Esaki and R. Tsu， IBM J. Res. Dev. 14， 61 (1970)]是由兩
種晶格匹配的半導體材料通過交替生長形成的周期性半導體結構。在超晶格 的生長方向上，如果勢壘較窄，各量子阱的束縛能級之間耦合較強就會形成 微帶。在電場作用下，電子在微帶內加速運動到布里淵區邊界時，電子具有 負有效質量，電子的漂移速度將會隨電場的增加而減小，出現負阻現象，這 一現象在實驗[A. Sibille, J. F. Palmier, H. Wang， and R Mollot, Phys. Rev. Lett, 64, 52 (1990)〗和理論[X. L. Lei, N. J. M. Horing, and H. L. Cui, Phys. Rev, Lett. 66,3277(1991).]上都得到了證實。這是半導體微帶超晶格中負微分電阻現象 產生的根源。
還有一類半導體超晶格，其中的勢壘較寬，各量子阱的束縛能級之間沒 有耦合或者耦合較弱，這樣，電子分布在量子阱中的各個分立能級上。在電 場作用下，如果相鄰兩個量子阱中的子帶能級對齊時，電子將很容易的從一 個量子阱隧穿進入沿電場方向的相鄰量子阱，從而形成隧穿電流。因此，這 種弱耦合的超晶格也被稱為共振隧穿超晶格。長期以來，利用半導體超晶格 中電子運動來產生微波甚至太赫茲波頻段的電磁輻射是人們研究的熱點。
弱耦合超晶格中電流振蕩現象在實驗上已經報道[H. T. Grahn, R. J. Haug, W. Muller, and K. Ploog， Phys. Rev. Lett 67, 1618 (1991).]，后來隨著半導體生 長技術和光電測量技術的發展，人們在磁場存在的情況下也觀察到了電流振 蕩現象，這一報道可以參見B. Sun, J. Wang, W. Ge， Y. Wang, D. Jiang, H. Zhu， H. Wang， Y. Deng, and S. Feng, "Current self-oscillation induced by a transverse magnetic field in a doped GaAs/AlAs superlattice", Phys. Rev. B 60, 8866(1999)。在實驗報道中，磁場存在的條件下若耦合超晶格中電流振蕩的頻率 約為1 GHz。
目前實驗和理論上都沒有關于磁場和電場條件下實現可以連續調諧的超 晶格振蕩器的研究報道，本發明擬利用磁場和電場對電場疇的控制實現超晶 格振蕩器振蕩頻率的調節。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可調諧振超晶格蕩器的實現方法，其特征在 于利用磁場和電場實現可調諧超晶格振蕩器的方法，也即給出一種利用外加 磁場和電場調控超晶格振蕩器中電流振蕩模式和振蕩頻率，同時電流振蕩頻 率得到進一步提高。本發明所涉及的超晶格振蕩器是基于載流子的共振隧穿 機制的弱耦合超晶格。在外加偏壓下，這種勢壘寬度較大的弱耦合11+-11-11+型 GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs超晶格中能夠形成隨時間和空間變化的周期性的 動態電場疇，在外電路中能夠觀察到持續的電流振蕩現象。根據這一原理可 以研制基于共振隧穿超晶格的高頻振蕩器。
具體地說，本發明首先考慮在(001) n+型GaAs襯底上用分子束外延技 術生長具有40個周期的GaAs/AlAs超晶格，勢壘寬度為d二4nm，勢阱寬度 為w二9nm，超晶格的周期為""+ M^13nm。 n型量子阱用Si慘雜，濃度為 lxl017cm—3，超晶格兩端被Si雜質重摻雜的n+-GaAs包夾形成一個三明治結 構。這樣，超晶格系統是一個11+-11-11+型的器件結構，其工作溫度為5K。外 加磁場的方向垂直于超晶格的生長方向，所述的外加電場為直流偏壓，直流 偏壓沿著超晶格生長方向。
弱耦合超晶格中載流子在電場作用下的輸運機制是順序共振隧穿，這時 超晶格相鄰兩個量子阱的某個能級處于同一高度。為了便于分析，本發明主 要考慮超晶格第(i-l)個量子阱中的基態Cl (第一子帶，能量為&)與第i個量 子阱中的第一激發態C2 (第二子帶，能量為&)之間的隧穿。假設電子運動 過程中受到的散射需要的時間遠遠低于量子阱間隧穿所需要的時間。這樣， 在兩個連續的隧穿過程中間，量子阱中電子處于局域平衡狀態，系統的電子 態可以用隨時間變化的電場和電子濃度來表示。利用一維的離散漂移-擴散理 論可以計算出電場作用下超晶格中電場的時空分布和電子濃度隨時間的演 化，從而得到超晶格器件中電流隨時間的變化關系。下面分析外加橫向磁場對超晶格中電子共振隧穿過程的影響。設定超晶 格的生長方向為Z方向，外加磁場的方向平行于JC軸。在弱耦合超晶格中， 電子共振隧穿過程發生時，電子漂移速度A化)具有一個極大值A^—2) [E,.2 為前面提到的Cl能級與C2能級對齊時所加的電場強度]，這時的外加電場 為&2 。當外加磁場S作用在超晶格時，由于洛侖茲力的作用，
電子隧穿經過的距離為/后，其動量增加量1^=^/，其中T!為普朗克常數， Ay為電子在y方向的波矢。在有效質量近似下，這相當于從Z方向轉移到y 方向的電子能量可以表示為Ae-e^2/2/2w'(附*為電子有效質量)。因此，為 了滿足電子產生共振隧穿的條件，這部分轉移的能量必須通過外加電場做功 來補償，這時產生共振隧穿需要的電場為《^&2+Ai ，其中，A￡ = A"e/ = eJS2//2m'。這樣，電子在磁場作用下的漂移速度峰值將會向高電場方向移動。 本發明中計算了在磁場為OT， 2T， 4T和6T條件下的電子漂移速度與電場 的關系。利用一維漂移-擴散模型得到了這些不同磁場條件下的電場和電子濃 度分布，進而得到了電流隨時間的演化。計算結果表明，只有外加偏壓處于
負微分漂移速度區域的某個電壓區間(G, rr)時超晶格中才能夠產生自振蕩
的電流。這是因為當偏置電壓處于這一區間時，超晶格中的動態電場疇進入 渡越時間模式，從陰極產生的電子在電場作用下能夠到達陽極，從而在外電 路中形成無阻尼的自振蕩電流。當電場低于^或者高于《時，超晶格中都沒 有振蕩電流產生。同時，研究發現這些電壓區間的變化范圍隨磁場的變化而 發生變化。對于固定的磁場，超晶格振蕩器的振蕩頻率可以通過調節外加直 流偏壓來進行調節。同樣，對于在超晶格振蕩器上固定直流偏壓，產生無阻 尼振蕩電流以后，通過調節外加磁感應強度也可以調節對振蕩器的振蕩頻率 進行連續調節。因此，可以利用電場和磁場來實現可調諧的超晶格振蕩器。 通過調節超晶格的周期等參數，超晶格振蕩器的振蕩頻率可以達到28.4 GHz。
綜上所述，本發明提出了一種利用磁場和電場調節超晶格振蕩器的方法。 由于加在超晶格器件的橫向磁場的影響，弱耦合超晶格中第一子能級和第二 子能級的共振隧穿現象發生在更高的電場強度區域，超晶格中的電場疇受到 了磁場的調控，從而引起了超晶格中自振蕩電流模式和振蕩頻率的變化。本 發明提出的利用磁場和電場的調控，能夠實現超晶格振蕩器振蕩頻率的連續
5性變化。因此，利用橫向磁場和電場可以實現可調諧的超晶格振蕩器。
圖1是設計的超晶格振蕩器在磁場為OT， 2T， 4T和6T時的振蕩電流 隨時間的變化關系。
圖2是不同磁場下超晶格振蕩器的振蕩頻率隨外加偏壓的變化關系。
具體實施例方式
下面，通過超晶格振蕩器的制備過程及結合附圖進一步闡述本發明的實 質性特點和顯著的進步。
1、 器件制備利用分子束外延設備生長高質量的GaAs/AlAs超晶格材 料。超晶格具有40個周期，勢壘寬度為J二4nm，勢阱寬度為w = 9nm。量 子阱用Si實現n型摻雜，濃度為lxl017cm'3。超晶格兩端被Si雜質重摻雜的 11+41().50%5八3包夾，形成一個三明治結構。器件制作過程中要保證界面質量 良好。
2、 將生長好的樣品鍵合到面積為0.01mr^基片上，保證歐姆接觸的質
量。制作信號引出線。
3、 在磁場存在的條件下測量器件的I-V特性。利用高頻數字示波器記錄
電流振蕩信號。
如圖1所示，外加偏壓偏置在超晶格中電子的負微分漂移速度區域。從 圖中可以看到，超晶格的電流隨時間表現出周期性的變化關系，其振蕩模式 和振蕩頻率都會隨著外加磁場的變化而變化。計算得到的振蕩器在磁場為0 T， 2T， 4T和6T時的振蕩頻率分別是20.70GHz， 20.16 GHz， 19.17 GHz' 和17.92 GHz。超晶格產生自振蕩的電流是由隨時空周期性變化的電場疇引 起的；
從圖2可以看出，所述的超晶格振蕩器的振蕩頻率處于14 GHz到28.4 GHz之間。
權利要求
1、一種可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于利用外加磁場和電場調控超晶格振蕩器中電流振蕩模式和振蕩頻率，所述的超晶格振蕩器是基于載流子的共振隧穿機制的弱耦合超晶格。
2、 按權利要求1所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于所 述的弱耦合超晶格為！1+-11+11+型GaAs/AlGaAs或GaAs/AlAs。
3、 按權利要求1或2所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在 于所述的外加磁場的方向垂直于超晶格的方向，所述的電場為直流偏壓，直 流偏壓沿超晶格生長方向。
4、 按權利要求1所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于所 述的載流子的共振隧穿的弱耦合超降格相鄰兩個量子阱的能級處于同一高 度；加在超晶格器件的橫向磁場，使弱耦合超晶格中第一子能級和第二子能 級的共振隧穿現場發生在更高的電場強度區域，超晶格中的電場疇受磁場控 制。
5、 按權利要求1或4所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在 于在弱耦合超晶格中，發生共振隧穿過程時電子漂移速度具有一個極大值。
6、 按權利要求3所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于外 加直流偏壓處于負微分漂移速度區域的某個電壓區間時超晶格中才產生自振 蕩的電流;而所述的某個電壓區間的變化范圍隨外加磁場的變化而發生變化。
7、 按權利要求3或6所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在 于在超晶格振蕩器上固定直流偏壓產生無阻尼振蕩電流之后，通過調節外加 磁感應強度對超晶格振蕩器的振蕩頻率進行連續調節。
8、 按權利要求l、 2、 3、 4或6所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法， 其特征在于所述的超晶格振蕩器，以GaAs/AlAs為超晶格材料，具有40個 周期，n型量子阱用Si摻雜，超晶格兩端被Si重摻雜的n+-AlQ.5AS包夾，形 成三明治結構。
9、 按權利要求8所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于 Si重摻雜的濃度為1 X 1017cm—3。
10、 按權利要求8所述的可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于 超晶格振蕩器的振蕩頻率達28.4GHZ。
全文摘要
本發明涉及一種可調諧超晶格振蕩器的實現方法，其特征在于(1)利用外加磁場和電場調控超晶格振蕩器中電流振蕩模式和振蕩頻率，所述的超晶格振蕩器是基于載流子的共振隧穿機制的弱耦合超晶格；(2)所述的外加磁場的方向垂直于超晶格的方向，所述的電場為直流偏壓，直流偏壓沿超晶格生長方向；(3)在超晶格振蕩器上固定直流偏壓產生無阻尼振蕩電流之后，通過調節外加磁感應強度對超晶格振蕩器的振蕩頻率進行連續調節。總之，本發明利用外加磁場和電場的調控能夠實現超晶格振蕩器振蕩頻率的連續性變化。
文檔編號H03B28/00GK101582680SQ200910052699
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月9日 優先權日2009年6月9日
發明者曹俊誠, 長 王 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所