太赫兹半导体源的材料生长、工艺及器件研制

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太赫兹(THz)科学与技术是一门发展十分迅速的交叉学科,在科学研究、工业以及军事领域都具有广阔的应用前景。THz辐射源作为THz技术的基础和前提,很大程度上决定了THz技术的发展潜力,因此研究THz波的产生方法有着很大的意义。THz光电导天线和量子级联激光器(QCL)都是目前常用的产生THz辐射的方法。基于超短激光脉冲的光电导天线的优点是频带宽,结构简单,能在室温下工作,因此被广泛应用于THz时域光谱仪和THz成像等方面。量子级联激光器作为另一种重要的太赫兹辐射源,具有体积小、重量轻、易集成以及转换效率高等优点,在成像和通信领域都有极大的应用潜力,是THz领域的一个研究热点。  本文围绕THz光电导天线及THz QCL两种THz辐射源展开研究工作,具体包括以下内容:  1.采用气源分子束外延技术(GSMBE)在低温条件(300℃)下生长了基于InP衬底的InGaAs材料,研究了生长温度以及AH3压力对InGaAs材料性质的影响。通过各项生长参数的优化,在300℃条件下生长了掺杂Be的InGaAs/InAlAs多量子阱光电导材料。高分辨率XRD测试表明,该多量子阱材料具有很高的晶体质量。300℃的低温生长条件使得该材料具有大量充当复合中心的缺陷,采用Be掺杂以及InGaAs和InAlAs薄层交替生长的超晶格结构显著降低了材料的载流子浓度,并大大提高了材料的电阻率。最终材料的载流子浓度为1.06×1014cm-3,电阻率为1.63×106Ω/sq。这种超晶格材料是制作THz光电导天线的良好基底材料。  2.研究了THz QCL有源区结构的MBE生长,校准了GaAs和AlGaAs的生长速率、Al组分以及掺杂浓度等参数,并研究了GaAs中Si的掺杂特性。实现了在气态源分子束外延系统生长基于束缚态到连续态跃迁有源区结构的THz QCL。高分辨X射线衍射测试结果表明THz QCL有源区具有很高的晶体质量,Al组分和理论设计值相符,有源区厚度误差仅1%左右。  3.研究了THz QCL的器件制作流程,采用半绝缘表面等离子体波导工艺步骤,包括制作上电极、湿法腐蚀、制作下电极、减薄封装等过程。并对制作完成后的THz QCL做了比较详细的测试与表征。在不同的偏压和温度下,THz QCL激射均为单频模式,激射频率为2.99 THz,显示出良好的频率稳定性。在9K温度下,阈值电流密度为159 A/cm2。在脉冲模式下器件的最高工作温度达到60K,最高功率为2 mW。
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