比較重要的半導(dǎo)體源有哪些

　　太赫茲（THz）［1．3］技術(shù)涉及電磁學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、材料科學(xué)以及通信等多個(gè)學(xué)科。它在信息科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。THz振蕩源則是THz頻段應(yīng)用的關(guān)鍵器件。研制可以產(chǎn)生連續(xù)波發(fā)射的固態(tài)半導(dǎo)體振蕩源是THz技術(shù)研究中最前沿的問題之一?；诎雽?dǎo)體的THz輻射源有體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單介紹了THz量子級(jí)聯(lián)激光器、負(fù)有效質(zhì)量振蕩器以及半導(dǎo)體超晶格振蕩器等THz源的工作原理及其研究進(jìn)展等。 THz量子級(jí)聯(lián)激光器：傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器是基于帶間躍遷過程。其輻射頻率由材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的帶隙決定，因此不利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)的激射。然而，對(duì)于子帶間激光器，電子躍遷發(fā)生在半導(dǎo)體量子限制的導(dǎo)帶子帶之間。其躍遷的初態(tài)和終態(tài)具有相似的色散關(guān)系，激射頻率取決于子帶間能級(jí)差。子帶間距可通過半導(dǎo)體“能帶工程”進(jìn)行調(diào)節(jié)，如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等?；谧訋чg躍遷的半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器是實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射的重要器件和發(fā)展方向。2002年Nature 報(bào)道了由意大利和英國(guó)合作研制的世界上第一個(gè)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器［4］，其激射頻率為4.4THz，在溫度為8 K時(shí)，器件的輸出功率可以達(dá)到2 mW，對(duì)應(yīng)的閾值電流為290 A／cm2。美國(guó)MIT的Q.Hu ［5］等于2003年報(bào)道了3.4THz的量子級(jí)聯(lián)激光器。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與加拿大國(guó)家研究院微結(jié)構(gòu)研究所合作，采用半導(dǎo)體共振光學(xué)聲子設(shè)計(jì)和雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)于2004年研制成功了激射頻率為2．9 THz的量子級(jí)聯(lián)激光器［6，7］。目前，基于共振聲子散射的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器脈沖工作溫度已經(jīng)可以達(dá)到137 K，而連續(xù)工作溫度也已經(jīng)達(dá)到97 K。負(fù)有效質(zhì)量振蕩器：理論上已證明利用p型半導(dǎo)體空穴負(fù)有效質(zhì)量區(qū)域可以產(chǎn)生THz振蕩［8］。由于p型半導(dǎo)體空穴的遷移速度隨電場(chǎng)變化的關(guān)系中存在負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)域，而這一負(fù)微分電導(dǎo)區(qū)域可以產(chǎn)生頻率達(dá)到THz范圍的電振蕩。它產(chǎn)生電振蕩的機(jī)理與傳統(tǒng)的耿氏器件非常相似，但由于它不需要利用能谷間的散射，所以可以有效的提高電振蕩的頻率。進(jìn)一步的研究表明，利用寬禁帶材料比如GaN的能帶結(jié)構(gòu)中的負(fù)有效質(zhì)量區(qū)域，避免馳豫時(shí)間較長(zhǎng)的能谷間散射，也可以產(chǎn)生頻率達(dá)到THz范圍的電振蕩［9］。半導(dǎo)體超晶格振蕩器：利用半導(dǎo)體微帶超晶格中由于布喇格散射引起的負(fù)微分漂移速度特性實(shí)現(xiàn)超晶格THz振蕩源成為最基本的想法。在外加直流電場(chǎng)作用下，微帶超晶格在合適的摻雜條件下形成運(yùn)動(dòng)的偶極電場(chǎng)疇。電場(chǎng)疇在超晶格中的周期性運(yùn)動(dòng)引起了自維持電流振蕩。實(shí)驗(yàn)表明，利用含有120個(gè)周期的4.4 nm／0.9 nm的InGaAs／InAlAs超晶格則制成了振蕩頻率高達(dá) 147 GHz，發(fā)射功率80uW的超晶格振蕩器［10］。這些振蕩器都是基于偶極電場(chǎng)疇運(yùn)動(dòng)激發(fā)電流振蕩。