曹俊誠 封松林
中國科學院上海微系統與信息技術研究所，信息功能材料國家重點實驗室
中國科學院上海微系統與信息技術研究所，信息功能材料國家重點實驗室
太赫茲(THz)[1．3]技術涉及電磁學、光電子學、半導體物理學、材料科學以及通信等多個學科。它在信息科學、生物學、醫學、天文學、環境科學等領域有重要的應用價值。THz振蕩源則是THz頻段應用的關鍵器件。研制可以產生連續波發射的固態半導體振蕩源是THz技術研究中最前沿的問題之一。基于半導體的THz輻射源有體積小、易集成等優點。本文簡單介紹了THz量子級聯激光器、負有效質量振蕩器以及半導體超晶格振蕩器等THz源的工作原理及其研究進展等。
THz量子級聯激光器：傳統的半導體激光器是基于帶間躍遷過程。其輻射頻率由材料導帶和價帶的帶隙決定，因此不利于實現長波長的激射。然而，對于子帶間激光器，電子躍遷發生在半導體量子限制的導帶子帶之間。其躍遷的初態和終態具有相似的色散關系，激射頻率取決于子帶間能級差。子帶間距可通過半導體“能帶工程”進行調節，如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等。基于子帶間躍遷的半導體量子級聯激光器是實現太赫茲輻射的重要器件和發展方向。2002年Nature報道了由意大利和英國合作研制的世界上第一個太赫茲量子級聯激光器[4]，其激射頻率為4.4THz，在溫度為8 K時，器件的輸出功率可以達到2 mW，對應的閾值電流為290 A／cm2。美國MIT的Q.Hu [5]等于2003年報道了3.4THz的量子級聯激光器。中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室與加拿大國家研究院微結構研究所合作，采用半導體共振光學聲子設計和雙面金屬波導結構于2004年研制成功了激射頻率為2．9 THz的量子級聯激光器[6，7]。目前，基于共振聲子散射的太赫茲量子級聯激光器脈沖工作溫度已經可以達到137 K，而連續工作溫度也已經達到97 K。
負有效質量振蕩器：理論上已證明利用p型半導體空穴負有效質量區域可以產生THz振蕩[8]。由于p型半導體空穴的遷移速度隨電場變化的關系中存在負微分電導區域，而這一負微分電導區域可以產生頻率達到THz范圍的電振蕩。它產生電振蕩的機理與傳統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。進一步的研究表明，利用寬禁帶材料比如GaN的能帶結構中的負有效質量區域，避免馳豫時間較長的能谷間散射，也可以產生頻率達到THz范圍的電振蕩[9]。
半導體超晶格振蕩器：利用半導體微帶超晶格中由于布喇格散射引起的負微分漂移速度特性實現超晶格THz振蕩源成為最基本的想法。在外加直流電場作用下，微帶超晶格在合適的摻雜條件下形成運動的偶極電場疇。電場疇在超晶格中的周期性運動引起了自維持電流振蕩。實驗表明，利用含有120個周期的4.4 nm／0.9 nm的InGaAs／InAlAs超晶格則制成了振蕩頻率高達147 GHz，發射功率80uW的超晶格振蕩器[10]。這些振蕩器都是基于偶極電場疇運動激發電流振蕩。
參考文獻：
[1] B.Ferguson，X．C．Zhang，Nature Materials，1，26(2002)．
[2] P.H.Siegel，IEEE Trans．Micro-wave Theory Tech，50，910(2002)．
[3] J.C.Cao，Phys．Rev．Lett．91，237401(2003)．
[4] R.Kohler et al，A．Tredicucci，F.Beltram，H．E．Beere，E．H．Linfield，A．G．
Davies，D．A．Ritchie，R．C．Iotti，and F．Rossi，Nature 417,156(2002)．
[5] B．S．Williams，S．Kumar，H．Callebaut，Q．Hu，and J．L．Reno Appl．Phys。
Lett．83,2124(2003)．
[6] H．C．Liu，M．Wächter,D．Ban，Z．R．Wasilewski，M．Buchanan，G C．Aers，J．C．Cao，S．L．Feng，B．S．Williams，and Q．Hu，Appl．Phys．Lett．87，141102(2005)．
[7] X．Y He，J．C．Cao，J．T .Lü，and S．L．Feng，Chinese Physics Letters 22，3163(2005)．
[8] J．C．Cao，H．C．Liu，and X．L．Lei，J．Appl．Phys．，87,2867(2000)．
[9] J．T .Lu and J．C．Cao，Semicond．Sci．Techn01．，19，45 1(2004)．
[10] E．Schomburg，M．Henini，J．M．Chamberlain，D．P．Steenson，S．Brandl，
K．Hofbeck，K．F．Renk，and W．Wegscheider，Appl．Phys．Lett．74，2179(1999)．
THz量子級聯激光器：傳統的半導體激光器是基于帶間躍遷過程。其輻射頻率由材料導帶和價帶的帶隙決定，因此不利于實現長波長的激射。然而，對于子帶間激光器，電子躍遷發生在半導體量子限制的導帶子帶之間。其躍遷的初態和終態具有相似的色散關系，激射頻率取決于子帶間能級差。子帶間距可通過半導體“能帶工程”進行調節，如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等。基于子帶間躍遷的半導體量子級聯激光器是實現太赫茲輻射的重要器件和發展方向。2002年Nature報道了由意大利和英國合作研制的世界上第一個太赫茲量子級聯激光器[4]，其激射頻率為4.4THz，在溫度為8 K時，器件的輸出功率可以達到2 mW，對應的閾值電流為290 A／cm2。美國MIT的Q.Hu [5]等于2003年報道了3.4THz的量子級聯激光器。中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室與加拿大國家研究院微結構研究所合作，采用半導體共振光學聲子設計和雙面金屬波導結構于2004年研制成功了激射頻率為2．9 THz的量子級聯激光器[6，7]。目前，基于共振聲子散射的太赫茲量子級聯激光器脈沖工作溫度已經可以達到137 K，而連續工作溫度也已經達到97 K。
負有效質量振蕩器：理論上已證明利用p型半導體空穴負有效質量區域可以產生THz振蕩[8]。由于p型半導體空穴的遷移速度隨電場變化的關系中存在負微分電導區域，而這一負微分電導區域可以產生頻率達到THz范圍的電振蕩。它產生電振蕩的機理與傳統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。進一步的研究表明，利用寬禁帶材料比如GaN的能帶結構中的負有效質量區域，避免馳豫時間較長的能谷間散射，也可以產生頻率達到THz范圍的電振蕩[9]。
半導體超晶格振蕩器：利用半導體微帶超晶格中由于布喇格散射引起的負微分漂移速度特性實現超晶格THz振蕩源成為最基本的想法。在外加直流電場作用下，微帶超晶格在合適的摻雜條件下形成運動的偶極電場疇。電場疇在超晶格中的周期性運動引起了自維持電流振蕩。實驗表明，利用含有120個周期的4.4 nm／0.9 nm的InGaAs／InAlAs超晶格則制成了振蕩頻率高達147 GHz，發射功率80uW的超晶格振蕩器[10]。這些振蕩器都是基于偶極電場疇運動激發電流振蕩。
參考文獻：
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[6] H．C．Liu，M．Wächter,D．Ban，Z．R．Wasilewski，M．Buchanan，G C．Aers，J．C．Cao，S．L．Feng，B．S．Williams，and Q．Hu，Appl．Phys．Lett．87，141102(2005)．
[7] X．Y He，J．C．Cao，J．T .Lü，and S．L．Feng，Chinese Physics Letters 22，3163(2005)．
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[9] J．T .Lu and J．C．Cao，Semicond．Sci．Techn01．，19，45 1(2004)．
[10] E．Schomburg，M．Henini，J．M．Chamberlain，D．P．Steenson，S．Brandl，
K．Hofbeck，K．F．Renk，and W．Wegscheider，Appl．Phys．Lett．74，2179(1999)．
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