本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種太赫茲波高速調(diào)制器及其制作方法，包括襯底層，在該襯底層上生長有緩沖層，在該緩沖層生長有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，在該應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)；所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢阱層的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)的相同或相差0.5%以內(nèi)。本發(fā)明專利技術(shù)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)具有由應(yīng)變產(chǎn)生的極強的壓電場，能夠顯著延長光生載流子的復(fù)合壽命和濃度，從而極大降低對調(diào)制激光器功率的要求；通過改變InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱中In組分和量子阱寬度，可靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場的大小和電荷空間分離的程度，進而方便地調(diào)節(jié)本發(fā)明專利技術(shù)調(diào)制速率。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于太赫茲波通信領(lǐng)域，尤其涉及一種太赫茲波調(diào)制器及其制作方法。技術(shù)背景無線通信的有限頻譜資源和迅速增長的高速業(yè)務(wù)需求的矛盾迫使人們?nèi)ラ_發(fā)新的頻譜波段。太赫茲波是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波(1 THz = IO12 Hz)，波長為0.03 mm到3 mm，具有很大的帶寬，因此發(fā)展THz無線通信技術(shù)具有重要的實際應(yīng)用價值。其中太赫茲波調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)中必不可少的器件之一，而目前太赫茲調(diào)制器的性能主要受限于材料的選擇和制備。新型半導(dǎo)體基底材料和電磁超材料 (meta-material)的有機結(jié)合有望實現(xiàn)太赫茲某些關(guān)鍵技術(shù)，尤其是太赫茲調(diào)制技術(shù)的突破。近年來所報道的THz波調(diào)制器有利用半導(dǎo)體塊狀材料對THz波進行調(diào)制的方法。 中國計量學(xué)院的李九生等基于超高電阻率的硅(Si)晶片，利用808 nm激光照射產(chǎn)生光生載流子對THz波進行調(diào)制。由于超高電阻率Si片中載流子的復(fù)合壽命較長，所以其調(diào)制速率僅為0.2k bps。砷化鎵GaAs中載流子的壽命較短，有可能成為制備高速太赫茲調(diào)制器的基底材料。捷克的L. !^ekete等人采取在交替層疊的SiO2和MgO周期結(jié)構(gòu)中嵌入一層 GaAs缺陷層的辦法以構(gòu)成一維光子晶體，利用GaAs在810 nm激光照射下產(chǎn)生的光生載流子的濃度變化來調(diào)制光子晶體的透過特性，從而實現(xiàn)高速調(diào)制THz波的目的。但由于GaAs 中載流子的壽命較短，響應(yīng)時間可以達到130 ps量級，所以雖然理論上對THz波的調(diào)制速率可以達到GHz量級，但為了獲得較高的光生載流子濃度和較大的調(diào)制深度，810 nm調(diào)制激光的光通量需達到0.8 μ J/cm2的極高量級，其對應(yīng)的連續(xù)波輸出激光功率則需要達到 IO5 W以上，這使其在實際應(yīng)用中受到極大限制。
技術(shù)實現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本專利技術(shù)提供了一種太赫茲波調(diào)制器，從而克服現(xiàn)有砷化鎵基底中載流子的復(fù)合壽命過短以致需要超強功率的調(diào)制激光器的缺陷，實現(xiàn)了在低功率調(diào)制激光的激發(fā)條件下也能對太赫茲波進行高速調(diào)制。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案一種太赫茲波高速調(diào)制器，包括襯底層，在該襯底層上生長有一緩沖層，在該緩沖層生長有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)， 在該應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)；所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)包括兩個以上的勢壘層和至少一個勢阱層，所述勢阱層處于兩勢壘層中間，且所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)最上層和最下層都是勢壘層；所述襯底層是< 111 >面取向，所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢阱層的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或者相差不超過0. 5%。當(dāng)太赫茲波依次通過金屬超材料結(jié)構(gòu)、應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、緩沖層、最后從襯底層的下表面射出的同時，另有一束波長為SlOnm的調(diào)制激光入射到量子阱，激發(fā)光生載流子，由于所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中勢壘層和勢阱層的晶格失配從而產(chǎn)生強壓電場能夠有效的分離光生載流子中的電子和空穴，從而顯著增加光生載流子的濃度和復(fù)合壽命，極大的降低所需外部調(diào)制激光器的功率。作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢壘層材料是砷化鎵，所述勢阱層材料是銦鎵砷。或者所述襯底層和緩沖層是砷化鎵，所述勢壘層材料是鋁鎵砷，所述勢阱層材料是鎵砷磷。作為優(yōu)選，所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中勢壘層和勢阱層都是< 111 >面取向，所述勢壘層厚度為10 300nm，所述勢阱層厚度為1 30nm。作為優(yōu)選，所述緩沖層厚度為20 300nm。作為優(yōu)選，所述金屬超材料結(jié)構(gòu)中金屬諧振單元的厚度為0. 2 5微米，周期為 20 80微米。本專利技術(shù)的另一個目的是提供了一種上述太赫茲波高速調(diào)制器的制作方法，具體包括以下步驟a、通過金屬有機物化學(xué)氣相外延技術(shù)(MOCVD)或分子束外延技術(shù)(MBE)在<111 >面取向的襯底層上生長一層緩沖層；b、然后繼續(xù)在該緩沖層上依次生長<111 >面取向的勢壘層、勢阱層和勢壘層，從而構(gòu)成< 111 >面取向的應(yīng)變單量子阱層，其中勢阱層選用的材料的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數(shù)相同或相差在0. 5%以內(nèi)；C、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選，所述襯底層、緩沖層和勢壘層均由砷化鎵構(gòu)成，所述勢阱層由銦鎵砷構(gòu)成。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點通過在<111>取向的襯底上生長<111>取向的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，在量子阱內(nèi)部獲得極強的壓電場；該壓電場能夠有效地分離光生載流子中的電子和空穴，顯著地延長光生載流子的復(fù)合壽命和增加載流子濃度，從而能極大地降低對外部調(diào)制激光器功率的要求；與此同時，通過改變<111>取向的 InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱中h的組分和量子阱寬度，可以靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)部壓電場的大小和電荷空間分離的程度，進而可以根據(jù)需要，方便地調(diào)節(jié)太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速率，調(diào)制速率可達到IOMbps以上。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)在內(nèi)建壓電場的作用下的能帶結(jié)構(gòu)變化圖； 圖3為本專利技術(shù)所述實施例中應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)壓電場的強度與勢阱層中銦(In)組分含量的關(guān)系曲線；圖4為太赫茲波在本專利技術(shù)所述調(diào)制器調(diào)制下的透過率隨外部激發(fā)光強的變化曲線。其中，襯底層1、緩沖層2、金屬超材料結(jié)構(gòu)3、勢壘層4、勢阱層5。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本專利技術(shù)。應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本專利技術(shù)而不用于限制本專利技術(shù)的范圍，在閱讀了本專利技術(shù)之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本專利技術(shù)的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所示，一種太赫茲波高速調(diào)制器包括<111>取向的半絕緣砷化鎵(GaAs)襯底層1，首先在襯底上通過MOCVD金屬有機物化學(xué)氣相外延技術(shù)生長一層GaAs緩沖層2，該砷化鎵緩沖層2厚度控制在20到300納米，從而可以將后續(xù)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)中的銦鎵砷勢阱層5與砷化鎵襯底層1之間在晶格常數(shù)存在的較大差異克服，最終獲得高質(zhì)量的< 111 >面取向的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。然后在該緩沖層2上依次生長< 111 >面取向的砷化鎵勢壘層4、銦鎵砷勢阱層5 和砷化鎵的勢壘層4，從而構(gòu)成< 111 >面取向的hGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其中所述砷化鎵勢壘層4的厚度為10到300納米，所述銦鎵砷勢阱層5的厚度為1到30納米；最后在最上層的GaAs表面通過光刻、蒸鍍和刻蝕等工藝技術(shù)制備一層由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結(jié)構(gòu)3，該金屬超材料厚度為0. 2 5微米，周期為20 80微米，諧振單元的幾何形狀可為任意電磁共振器單元的形狀。上述的<111>取向的hGaAs/GaAs量子阱內(nèi)由于晶格失配產(chǎn)生的強壓電場能有效地分離光生載流子中的電子和空穴，從而能顯著地增加光生載流子的濃度和復(fù)合壽命，極大地降低所需外部調(diào)制激光器的功率；上述<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱的勢壘層可由與砷化鎵襯底層晶格匹配或者相差在0. 5%以內(nèi)的鋁鎵砷(AKiaAs)材料，而勢阱則可由鎵砷磷(GaA本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張雄，叢嘉偉，郭浩，崔一平，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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