THz报告.docxVIP

第三部分 THz相关光电器件进展 在各种各样的太赫兹产生与探测技术当中，本报告重点关注的是采用半导体光电子技术为原理的光电器件，例如用于产生太赫兹的量子级联激光器、太赫兹量子阱探测器和量子点探测器等。这里主要介绍其基本原理、种类、特点与性能，以及发展的历程。 量子级联激光器QCL 1.基本原理 早在1971年QCL的概念就已经提出，直至1994年BELL实验室采用GaInAs/AlInAs制作出来世界上第一台量子级联激光器。其原理是利用电子的带间跃迁，而不考虑空穴的输运；另一方面，所采用的级联结构，有几十到一百多个，电子在每个周期内重复释放光子，故而提高了输出功率[1]。 简单原理示意图3.1 图上所示为一个周期结构，其中包含三个区，即注入区，有源区和弛豫区。注入区电子首先通过隧穿到达3能级，然后考虑从3?2的跃迁几率，是和这两个能级的波函数的重叠积分大小有关。电子先释放光子到达2，由于2?1的重叠因子很高，又很快向1能级跃迁，从而维持着23能级的粒子数反转。然后在弛豫区注入到下一个周期，继续释放光子，此即为简单的原理解释。 其中蕴含一些问题，比如1能级的电子也可以吸收声子向2能级跃迁，3能级电子也可以直接向1能级跃迁，这些都是对于激光器不利的因素；并且周期越多，虽然单个电子发射光子数变多，但是需要提供更大的偏压，易使器件烧毁，所以周期的数目并非越多越好。 2.结构设计 QCL的设计的整体思路是，首先提高注入效率，意味着要提高电子注入高能级的效率，并减小注入到低能级的效率，保证有效地注入率；另外，所有激光器都需要增益放大，所以要想办法提高上能级的寿命，并减小下能级的寿命，从而保持粒子数反转（增益gν0∝?Nf21/?υ），从而更有利于增益放大；然后要提高有源区的抽取效率，并减小反注入的情况。 目前主要的三种设计结构为共振声子结构（Resonate Phonon RP），啁啾超晶格结构（Chirped Super-Lattice ,CSL），束缚态向连续态跃迁结构(Bound-to-Continuum，BTC)以及混合结构。 共振声子结构（Resonate Phonon RP） 共振声子结构是通过引入共振生子能级，让跃迁后落在下激射能级的电子通过共振声子散射，跃迁到更低的共振声子能级，可以更好地抽取下能级的电子。 图3.2共振声子结构示意图 电子通过发射太赫兹光子落在下激射能级上，然后通过电子-电子散射或电子-杂质散射落在下方的能级。其中需要注意的是，首先，太赫兹的能量特别小，即1,2能级之间特别接近，所以如果在有源区发射声子跃迁，那么减少下能级的数的同时也会很大地减少上能级数[2]，不利于维持粒子数反转，所以设计让1能级的波函数可以扩散到注入区，然后2能级却几乎不与注入能级重叠，使得2能级的寿命更长。 文献报道表明，这种结构具有较好温度性能（160--190k）。而对于室温下的挑战在于，低温下本来2-1能级间的能量差小于光学声子，这两能级之间的热弛豫机理会被抑制，但温度升高后，会激活这个过程，使其发射光学声子而驰豫到低能级子带上，随着温度增长，这样会以指数形式减少上激射能级的寿命，从而降低了增益以致最后截止[4]，从而给更高温度下的应用带来困难。 这种结构的弊端是，由于下能级电子要靠隧穿进入下一个有源区，而电子的隧穿时间要比在低能级的寿命时间长，所以会造成电子的堆积，从而影响器件的性能。 国内刘惠春教授发明的三量子阱级联激光器得到广泛认可。 啁啾超晶格结构（chirped super-lattice ,CSL） 第一个THz的量子级联激光器就是采用这种结构，原理图如下图所示。 图3.3 啁啾超晶格结构QCL示意图 如图所示，有超晶格结构引入了微带，激射发生在上微带的最低态以及下微带的最高态，电子在微带之间，由于微带能量本身也很接近，电子通过散射机理到达低端，可以使下激射能级的电子快速向下跃迁（depopulation），有利于粒子数反转；并且微带间能量间隙小的另一个好处是，只要有一个子带对齐，电子很容易注入到下一个有源区内，即提高了抽取效率，但同时它的弊端在于，由于注入时可能会注入到其他能级，会减小发光辐射的几率。 3）束缚态向连续态跃迁结构(Bound-to-Continuum，BTC) 该结构结合了前两种结构的优势，其原理图如下所示。 图3.4束缚态向连续态跃迁结构QCL示意图 由图中可以看到该结构保留了微带，所以保留了CSL-QCL当中的Depopulation机制，不过上激射能级处在两个微带的禁带中间，所以这种结构的注入效率和抽取效率都比较高。由于这个孤立能级处在微带的禁带当中，那么和下微带能级之间的重叠减小，故辐射在实际中是对角的，所以振荡强度略微减小，同样的道理，上能级的寿命会增加，因为上激射