一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法

摘要

本发明涉及一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法，其中所述砷化镓探测器包括GaAs单量子阱样品，所述GaAs单量子阱样品上表面覆盖有曲折形霍尔条，所述霍尔条的左端上部、左端下部分别设置有金属电极1、金属电极3，所述霍尔条的右端上部、右端下部分别设置有金属电极2、金属电极4。本发明将入射太赫兹信号转换为电压信号，属于直接探测技术范畴。而且这种探测器具有频率分辨能力和灵敏度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法。

背景技术

赫兹波是频率0.1-10THz(1THz＝1012Hz)范围的电磁波，它对应的波长范围为3mm-30um,波段位于传统的微波和红外之间。太赫兹波光子能量低，背景热噪声通常占据显著地位，所以探测困难。相对于其他波段的成熟探测技术，太赫兹探测器的研究还处于探索阶段。目前，太赫兹信号探测技术从原理上可分为脉冲时域探测，连续波相干探测，和直接探测技术。脉冲时域探测可以同时获得振幅和相位信息，但通常需要一束飞秒脉冲激光参与，所以局限性很大。这种技术只能探测宽带太赫兹，不能用于探测连续太赫兹波，并且不具备频率分辨能力。太赫兹连续波相干探测器一般是基于外差法制作的。连续波外差发探测信号是由被探测的太赫兹连续波信号和局部振荡器混频合成的，需要一个非线性设备-混频器。混频器将难处理的高频太赫兹信号转换到可方便处理的较低频信号，然后对低频信号进行放大和测量。这种技术具有一定的频率分辨能力。直接探测技术是将被测信号直接转化为电流或者电压信号，无需本地振荡器和飞秒激光，结构相对简单，譬如测热辐射计(Bolometer)，戈莱盒(GolayCell)，肖特基二极管等。这种探测器通常没有频率分辨能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法，将入射太赫兹信号转换为电压信号，具有频率分辨能力和灵敏度高的特点。

本发明采用以下方案实现：一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：制备砷化镓探测器，所述砷化镓探测器包括包括GaAs单量子阱样品，所述GaAs单量子阱样品上表面覆盖有曲折形霍尔条，所述霍尔条的左端上部、左端下部分别设置有金属电极1、金属电极3，所述霍尔条的右端上部、右端下部分别设置有金属电极2、金属电极4；曲折形的结构可以提供很大的长宽比，使测量信号灵敏度更好；

步骤S2：将所述砷化镓探测器置于低温恒温器中一特定时间，待温度稳定时，将入射太赫兹信号聚焦后照射在所述砷化镓探测器表面，并加载一个垂直的可调稳定磁场，同时在所述金属电极1与金属电极2之间加载恒定电流，测量金属电极3与金属电极4之间的电压；其中金属电极3与金属电极4之间产生的电压相应信号为：

V_sig＝ΔV_xx＝ΔR_xxI＝(L/W)Δρ_xxI；

其中，I为加载的恒定电流，L为曲折形霍尔条的长度，W为霍尔条的宽度，Δρ_xx为产生的纵向电阻率，ΔR_xx为产生的纵向电阻，ΔV_xx为产生的纵向电压，V_sig为测量的电压信号；

步骤S3：在垂直的磁场下，二维电子气在样品中形成分裂的朗道能级，以一定的速率调节磁场，当磁场大小满足下式时，入射太赫兹由回旋共振被吸收，非稳态载流子产生一个非零的纵向电阻率Δρ_xx：

其中，ΔE为朗道能级间隙，为普朗克常数，ω_c为电子回旋共振频率，e为电子电荷，B为磁场强度，m^*为电子有效质量；根据整数霍尔效应理论，当最高的被电子占据的朗道能级是全填满状态时，纵向电阻R_xx变为零，这一物理学现象可以被利用来制造灵敏的太赫兹探测器；

步骤S4：此时所述金属电极3与金属电极4之间的测量电压信号出现一个峰，这个峰的峰值正比于入射太赫兹的功率密度，通过此时的磁场大小计算入射太赫兹的频率。

进一步地，所述步骤S1具体为：提供GaAs单量子阱样品，采用光刻技术在所述GaAs单量子阱样品上表面制备曲折形霍尔条，在所述霍尔条的两端分别制备四个金属电极，用于加载电流和测量电压相应信号。

进一步地，所述霍尔条的长度为40mm，宽度为40μm。

进一步地，所述GaAs单量子阱样品的电子浓度n＝2×10¹²cm^-2，迁移率μ＝3.7×10⁶cm²/Vs。电子只能在量子阱的二维平面内运动，所以一般称为二维电子气(Two-DimensionalElectronGas,缩写为2DEG)。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、具有频率分辨能力。大多数太赫兹探测器只能探测入射太赫兹的功率，而本发明所述的太赫兹探测器，通过调节外加磁场，可以获得入射太赫兹的频率信息。

2、高灵敏度。根据分数量子霍尔效应理论，当最高朗道能级全填满时，R_xx＝0，这时噪音主要是尼奎斯特(Nyquist)噪音，所以灵敏度很高。所述太赫兹探测器的电压响应在10⁸V/W量级，噪声等效功率NEP可达1×10^-14W/Hz^1/2。

3、测量频率范围宽。所述探测器的频率测量范围取决于磁场强度和2DEG样品的迁移率，使用高迁移率样品和10特斯拉的超导磁体，可以测量频率0.3-4.17THz的太赫兹信号。

附图说明

图1为本发明的太赫兹探测器结构示意图；

图2为本发明的等效的直线型霍尔条示意图；

图3为本发明的2DEG的朗道能级示意图；

[主要组件符号说明]

图中：1为GaAs样品，2为霍尔条，3为金属电极1,4为金属电极2,5为金属电极3,6为金属电极4。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种基于砷化镓单量子阱的太赫兹探测器的实现方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：制备砷化镓探测器，如图1所示，所述砷化镓探测器包括包括GaAs单量子阱样品1，所述GaAs单量子阱样品上1表面覆盖有曲折形霍尔条2(其中图2为等效的直线型霍尔条示意图)，所述霍尔条2的左端上部、左端下部分别设置有金属电极1(3)、金属电极3(5)，所述霍尔条2的右端上部、右端下部分别设置有金属电极2(4)、金属电极4(6)；曲折形的结构可以提供很大的长宽比，使测量信号灵敏度更好；

步骤S2：将所述砷化镓探测器置于低温恒温器中一特定时间，待温度稳定时，将入射太赫兹信号聚焦后照射在所述砷化镓探测器表面，并加载一个垂直的可调稳定磁场，同时在所述金属电极1与金属电极2之间加载恒定电流，测量金属电极3与金属电极4之间的电压；其中金属电极3与金属电极4之间产生的电压相应信号为：

V_sig＝ΔV_xx＝ΔR_xxI＝(L/W)Δρ_xxI；

其中，I为加载的恒定电流，L为曲折形霍尔条的长度，W为霍尔条的宽度，Δρ_xx为产生的纵向电阻率，ΔR_xx为产生的纵向电阻，ΔV_xx为产生的纵向电压，V_sig为测量的电压信号；

步骤S3：在垂直的磁场下，二维电子气在样品中形成分裂的朗道能级(如图3所示)，以一定的速率调节磁场，当磁场大小满足下式时，入射太赫兹由回旋共振被吸收，非稳态载流子产生一个非零的纵向电阻率Δρ_xx：

其中，ΔE为朗道能级间隙，为普朗克常数，ω_c为电子回旋共振频率，e为电子电荷，B为磁场强度，m^*为电子有效质量；根据整数霍尔效应理论，当最高的被电子占据的朗道能级是全填满状态时，纵向电阻R_xx变为零，这一物理学现象可以被利用来制造灵敏的太赫兹探测器；

特别的，根据整数霍尔效应理论，当最高的被电子占据的朗道能级是全填满状态时，纵向电阻R_xx变为零，这一物理学现象可以被利用来制造灵敏的太赫兹探测器。太赫兹波照射这一器件表面，当入射光子能量等于朗道能级间隙时，电子通过电子回旋共振吸收(CyclotronResonance)被激发到更高一级的朗道能级上，原来的全填满朗道能级上留下空穴，费米能级位于这两个朗道能级之间。这些非稳态载流子(电子和空穴)会产生一个非零的纵向电阻率Δρ_xx。如果在金属电极1和2之间加恒定电流(大约1微安)，那么就会在金属电极4和5之间产生一个电压响应信号。

步骤S4：此时所述金属电极3与金属电极4之间的测量电压信号出现一个峰，这个峰的峰值正比于入射太赫兹的功率密度，通过此时的磁场大小计算入射太赫兹的频率。上述太赫兹探测器可以同时测量太赫兹的功率和频率，具有频率分辨能力。

在本实施例中，所述步骤S1具体为：提供GaAs单量子阱样品，采用光刻技术在所述GaAs单量子阱样品上表面制备曲折形霍尔条，在所述霍尔条的两端分别制备四个金属电极，用于加载电流和测量电压相应信号。

在本实施例中，所述霍尔条的长度为40mm，宽度为40μm。

在本实施例中，所述GaAs单量子阱样品的电子浓度n＝2×10¹²cm^-2，迁移率μ＝3.7×10⁶cm²/Vs。电子只能在量子阱的二维平面内运动，所以一般称为二维电子气(Two-DimensionalElectronGas,缩写为2DEG)。

在本实施例中，根据分数量子霍尔效应理论，当最高朗道能级全填满时，R_xx＝0，这时噪音主要是尼奎斯特(Nyquist)噪音，所以灵敏度很高。所述太赫兹探测器的电压响应在10⁸V/W量级，噪声等效功率NEP可达1×10^-14W/Hz^1/2。

由于选用了高电子迁移率的2DEG样品，朗道能级可以在较低的磁场强度下分离，使得测量的最低太赫兹频率为0.3THz。最高的测量频率取决于磁场强度大小，对于10特斯拉的超导磁铁，可测量的频率高达4.17THz。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。