太赫兹量子级联激光器和其它重要的半导体源

曹俊诚    封松林
中国科学院上海微系统与信息技术研究所，信息功能材料国家重点实验室
  

        太赫兹(THz)[1．3]技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及通信等多个学科。它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值。THz振荡源则是THz频段应用的关键器件。研制可以产生连续波发射的固态半导体振荡源是THz技术研究中最前沿的问题之一。基于半导体的THz辐射源有体积小、易集成等优点。本文简单介绍了THz量子级联激光器、负有效质量振荡器以及半导体超晶格振荡器等THz源的工作原理及其研究进展等。
 
        THz量子级联激光器：传统的半导体激光器是基于带间跃迁过程。其辐射频率由材料导带和价带的带隙决定，因此不利于实现长波长的激射。然而，对于子带间激光器，电子跃迁发生在半导体量子限制的导带子带之间。其跃迁的初态和终态具有相似的色散关系，激射频率取决于子带间能级差。子带间距可通过半导体"能带工程"进行调节，如改变量子阱或垒的厚度，材料的组分，外加偏压等。基于子带间跃迁的半导体量子级联激光器是实现太赫兹辐射的重要器件和发展方向。2002年Nature报道了由意大利和英国合作研制的世界上第一个太赫兹量子级联激光器[4]，其激射频率为4.4THz，在温度为8 K时，器件的输出功率可以达到2 mW，对应的阈值电流为290 A／cm²。美国MIT的Q.Hu [5]等于2003年报道了3.4THz的量子级联激光器。中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室与加拿大国家研究院微结构研究所合作，采用半导体共振光学声子设计和双面金属波导结构于2004年研制成功了激射频率为2．9 THz的量子级联激光器[6，7]。目前，基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器脉冲工作温度已经可以达到137 K，而连续工作温度也已经达到97 K。
 
        负有效质量振荡器：理论上已证明利用p型半导体空穴负有效质量区域可以产生THz振荡[8]。由于p型半导体空穴的迁移速度随电场变化的关系中存在负微分电导区域，而这一负微分电导区域可以产生频率达到THz范围的电振荡。它产生电振荡的机理与传统的耿氏器件非常相似，但由于它不需要利用能谷间的散射，所以可以有效的提高电振荡的频率。进一步的研究表明，利用宽禁带材料比如GaN的能带结构中的负有效质量区域，避免驰豫时间较长的能谷间散射，也可以产生频率达到THz范围的电振荡[9]。
 
半导体超晶格振荡器：利用半导体微带超晶格中由于布喇格散射引起的负微分漂移速度特性实现超晶格THz振荡源成为最基本的想法。在外加直流电场作用下，微带超晶格在合适的掺杂条件下形成运动的偶极电场畴。电场畴在超晶格中的周期性运动引起了自维持电流振荡。实验表明，利用含有120个周期的4.4 nm／0.9 nm的InGaAs／InAlAs超晶格则制成了振荡频率高达147 GHz，发射功率80uW的超晶格振荡器[10]。这些振荡器都是基于偶极电场畴运动激发电流振荡。
 
 
参考文献：   
[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)．