基于量子阱子带跃迁的隧穿诱导透明效应的时延器件

摘要

本发明的基于量子阱子带跃迁的隧穿诱导透明效应的时延器件，属于半导体材料技术领域，特别涉及一种用于光电子领域的时延器件。其结构是，在GaAs材料的基底（1）上依次生长有AlAs层（2）、第一势垒层（3）、浅量子阱层（4）、第二势垒层（5）、深量子阱层（6）、第三势垒层（7）和连续区（8）；以第一势垒层（3）～连续区（8）为一个周期，共排列有6～15个周期；然后有覆盖层（9），最外层有空气隔离层（10）。本发明的时延器件的延时时间可以达到皮秒量级，可以应用于光电子学领域。本发明的时延器件比采用原子系统时延器件更实用，其结构与材料可以人为地选择，相干强度可以控制和改变。

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，特别涉及一种用于光电子领域的时延器 件。

背景技术

光时延器件在光信息加工与处理领域具有应用价值，例如，对光信号的编码、 解码、滤波、卷积计算等。现有的类似光时延系统是腔内电磁诱导透明的原子 Lambda三能级系统。在原子三能级系统中，一束探测光、一束强耦合光平行地 入射到盛有气体原子的样品池中，类似于本发明的子带|2>和|3>之间的相互作用 是通过加强相干场实现的。与采用半导体超晶格材料微腔结构本身的耦合相互作 用相比，原子系统存在相互作用强度过大、延时时间短、不能工作在通讯的波长 等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有时延器件的不足，采用超晶格非对称 双量子阱结构提供一种可工作在中红外光谱范围的时延器件。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种基于量子阱子带跃迁的隧穿诱导透明效应的时延器件，其特征在于，在 GaAs材料的基底1上依次生长有AlAs层2、第一势垒层3、浅量子阱层4、第 二势垒层5、深量子阱层6、第三势垒层7和连续区8；以第一势垒层3至连续 区8为一个周期，共排列有1～15个周期；然后有覆盖层9，最外层有空气隔离 层10；所述的第一势垒层3、第二势垒层5、第三势垒层7、覆盖层9是Al_xGa_1-xAs， x=0.35～0.4材料的，所述的浅量子阱层4、连续区8是Al_yGa_1-yAs，y=0.1～0.2材 料的，所述的深量子阱层6是GaAs材料的，所述的空气隔离层10是GaAs材料 的。

其中，GaAs材料的基底1可以选取GaAs(001)生长AlAs层2。

所述的AlAs层2的厚度优选2000nm～5000nm；所述的第一势垒层3的厚度 优选10nm～30nm，第二势垒层5和第三势垒层7厚度优选2nm～5nm；所述的浅 量子阱层4宽度（即材料厚度）优选1.8nm～8nm，深量子阱层6宽度（即材料厚 度）优选5.3nm～10nm；所述的连续区8的厚度优选150nm～180nm；所述的覆盖 层9的厚度优选200nm～500nm；所述的空气隔离层10的厚度优选5nm～10nm。

所述的以第一势垒层3至连续区8为一个周期，共排列有9个周期效果最好。

本发明的整个结构生长在未参杂的GaAs基底上，基底上首先是AlAs层， AlAs层的上面是6～15个非对称双量子阱，然后是Al_xGa_1-xAs覆盖层，最后是 AlAs空气隔离层。每个非对称双量子阱由一个浅阱，一个深阱和一个连续区构 成，浅阱、深阱和连续区彼此间是势垒层，各个非对称双量子阱由势垒层隔绝。

图2所示是本发明的工作原理。浅阱的第一个子带与深阱的第二个子带通过 两阱之间的薄势垒的耦合隧穿作用，产生一对劈裂能级b和c。由加在势垒上的 偏置电压可以改变薄势垒的高度和宽度，这种改变控制劈裂的强度和宽度。深阱 的第一个子带用能级a表示。

由于隧穿诱导透明作用，探测光脉冲通过本发明的时延器件时，传播群速度 减慢，从而产生延时，并且延时时间可以达到皮秒级。本发明的时延器件工作在 中红外区域，可以应用于光电子设备中。

本发明中各层的生长可以采用现有的分子束外延技术或分子束溅射技术实 现。

由于隧穿诱导透明作用，探测光群速度减慢，本发明的时延器件的延时时间 可以长达几个皮秒。可以应用于光电子学领域。本发明的时延器件比采用原子系 统时延器件更实用，因为半导体结构与材料可以人为地选择，相干强度可以控制 和改变。

综上，本发明有以下有益效果：

1、延时时间长，可达皮秒级，而且延时时间可控。

2、工作波长容易改变，只需改变本发明中各层所用的半导体材料，即可改 变工作波长。

3、相干强度可以控制和改变。

附图说明：

图1为本发明的时延器件的结构示意图，图中箭头表示重复单元。

图2为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

参照图1，基底1是GaAs（001）。顺次是AlAs层，厚度为3900nm；第一 势垒层3，成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为20nm；浅量子阱层4，成分为Al_0.16Ga_0.84As， 厚度为6.7nm；第二势垒层5，成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为4.2nm；深量子阱层 6，成分为GaAs，厚度为7.8nm；第三势垒层7成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为2.9 nm；连续区8，成分为Al_0.16Ga_0.84As，厚度为160nm。自第一势垒层3至连续区 8为一个周期，再生长9个周期，共10个周期，然后再生长一个覆盖层9，成分 为Al_0.4Ga_0.6As，宽度为200nm，和GaAs空气隔离层10，宽度为7.5nm。这种 结构的时延器件的工作波长为9.23μm，时延为0.73ps。

实施例2

参照图1，基底1是GaAs（001）。顺次是AlAs层，厚度为5000nm；第一 势垒层3，成分为Al_0.35Ga_0.75As，厚度为10nm；浅量子阱层4，成分为Al_0.1Ga_0.9As， 厚度为8nm；第二势垒层5成分是Al_0.35Ga_0.75As，厚度为3nm；深量子阱层6 为GaAs，厚度为10nm；第三势垒层7成分是Al_0.35Ga_0.75As，厚度为2nm；连 续区8，成分为Al_0.1Ga_0.9As，厚度为160nm。自第一势垒层3至连续区8为一个 周期，再生长14个周期，共15个周期，然后再生长一个覆盖层9，成分为 Al_0.4Ga_0.6As，宽度为300nm，和GaAs空气隔离层10，宽度为5nm。这种结构 的时延器件的工作波长为13.16μm，时延为0.55ps。

实施例3

参照图1，基底1是GaAs（001）。顺次是AlAs层，厚度为2000nm；第一 势垒层3，成分为Al_0.4Ga_0.6As，厚度为30nm；浅量子阱层4是Al_0.2Ga_0.8As材 料，厚度为1.8nm；第二势垒层5成分是Al_0.4Ga_0.6As，厚度为5nm；深量子阱 层6为GaAs，厚度为5.3nm；第三势垒层7成分是Al_0.4Ga_0.6As，厚度为4.5nm； 连续区8的成分为Al_0.2Ga_0.8As，厚度为160nm。自第一势垒层3至连续区8为 一个周期，再生长5个周期，共6个周期，然后再生长一个覆盖层9，成分为 Al_0.4Ga_0.6As，宽度为500nm，和GaAs空气隔离层10，宽度为10nm。这种结构 的时延器件的工作波长为5.86μm，时延为0.18ps。