多体效应对太赫兹量子阱探测器的影响 下载: 958次
1 引言
太赫兹波是一种介于毫米波与红外线之间的电磁波,频率范围为0.1~10 THz,对应的波长为3~0.03 mm,具有介质穿透性强、电离性弱等优点[1],其在材料特性研究、成像技术、环境监测、无损检测、医学诊断、无线通信等领域具有广阔的应用前景[2]。太赫兹量子阱光电探测器(THz-QWP)是一种基于半导体结构的光子探测器[3],具有响应速度快、体积小、寿命长、稳定性高和工艺成熟等优点,因此特别适用于太赫兹波段的高速探测与成像应用。
THz-QWP的探测频率主要由量子阱的阱宽和势垒高度决定[4],对于GaAs/AlGaAs材料体系,GaAs为势阱部分,其生长厚度为量子阱宽度,而Al
2 理论和模型
2.1 薛定谔-泊松方程
薛定谔方程为
式中
式中
式中
(2)式中
式中
(2)式中最后一项
式中
式中
式中
对于n型掺杂的量子阱结构,受主浓度和空穴浓度在解泊松方程时可以忽略,即
2.2 考虑多体效应的能带关系
在太赫兹探测器中,哈密顿函数为
式中
式中
考虑(10)式的薛定谔方程式为
式中
式中
电子密度为
式中
基于密度泛函理论,通过费米黄金定律,得到能量色散关系和波函数的关系,其吸收效率
式中
式中
式中
3 材料生长与器件工艺
THz-QWP有源区采用束缚态向束缚态跃迁结构,设计器件的光谱响应峰值目标为3.75 THz,材料体系为GaAs/AlGaAs,由GSMBE设备在半绝缘GaAs(100)衬底上外延生长。首先生长300 nm的GaAs上接触层,n掺杂浓度(粒子数浓度,全文同)为1×1017 cm-3;势垒为95.1 nm宽的AlGaAs,Al的原子数分数为3%;势阱为22.1 nm宽的GaAs,势阱中央10 nm区域使用Si掺杂,掺杂浓度为3×1016 cm-3。一共有23个周期的量子阱,下接触层为400 nm的GaAs层,Si掺杂浓度
从
制备THz-QWP的主要工艺流程包括光刻、湿法腐蚀台面、长金属以及解理、封装等后续工艺。首先用体积比为1∶20的HCl和H2O混合液腐蚀表面氧化层,然后光刻、用体积比为1∶1∶25的H3PO4、H2O2、H2O混合液腐蚀,其中腐蚀深度一般为3.2 μm。在实验中采用台阶仪测量腐蚀高度。电极制备采用电子束蒸发技术,长的金属层为Ge/Au/Ni/Au(厚度分别为130,330,300,2500 nm),再对器件进行退火处理(退火温度370 ℃,退火时间40 s),形成欧姆接触。器件结构如
4 器件测试和分析
在器件测试过程中,首先把器件装入电学低温恒温器,然后整体放进杜瓦瓶中,选取其中两个THz-QWP用源表测出暗电流,具体结果如
将器件安装在英国Oxford公司生产的CF-V光学低温恒温器中,用德国Bruker公司生产的VERTEX 80 V光谱仪测量光谱,结果如
图 4. 不同偏置电压下THz-QWP的光电流谱
Fig. 4. Photocurrent spectra of THz-QWP under different bias voltages
由
在不考虑多体效应的情况下,根据量子阱结构参数,采用2.1节中的计算方法,可以计算出不含多体效应的能级[7],如
图 6. 考虑多体效应时的THz-QWP能级结构
Fig. 6. Band structures of THz-QWP with considering many-body effect
图 7. 多体效应与Al原子数分数的关系
Fig. 7. Relationship between many-body effect and Al atomic fraction
5 结论
设计了一种基于GaAs/AlGaAs的THz-QWP,实验测得的光响应峰值为4.5 THz。在未考虑多体效应时,理论计算出的光响应峰值为3.75 THz,与实验结果相差较大;考虑多体效应后,计算出的响应峰值为4.57 THz,与实验结果较接近,证明了多体效应在THz-QWP的设计中不可忽略。
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