论文部分内容阅读
太赫兹(THz)技术在科学研究、工业以及军事领域具有广阔的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术的核心。基于超短激光脉冲的光电导天线是常用的太赫兹辐射源，能在室温下工作且脉冲功率在毫瓦量级，具有很大的实用价值。太赫兹量子级联激光器(QCL)作为另一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、重量轻、易集成以及转换效率高等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。本文围绕THz光电导天线及THz QCL两种太赫兹辐射源展开研究工作，包括InGaAs基THz光电导材料生长与优化、THz QCL材料的生长和THz QCL器件研制，具体内容为: 1.采用气源分子束外延生长了低温InGaAs材料，研究了生长温度以及As压对InGaAs材料性质的影响。通过生长条件的优化，300℃生长了Be掺杂InGaAs/InAlAs多量子阱光电导材料，高分辨率XRD表征多量子阱材料具有很高的晶体质量，电阻率为1.63×106Ω/sq，载流子浓度为1.06×1014 cm-3，迁移率为517 cm2/V·s。另外，还在250℃生长温度研究了不同Be掺杂结构以及Be掺杂浓度对低温InGaAs/InAlAs多量子阱光电导材料性能的影响。结果表明Be掺势垒低温InGaAs/InAlAs多量子阱具有更高的迁移率。Be掺势阱低温InGaAs/InAlAs多量子阱与Be掺势阱和势垒多量子阱的电学性能相当，两者的迁移率比Be掺杂势垒多量子阱的迁移率小，但有更大的电阻率。最后优化了Be掺势垒低温InGaAs/InAlAs多量子阱光电导材料，未经退火时的载流子浓度为4.53×1014 cm-3，迁移率高达1270 cm2/V·s。 2.采用气源分子束外延系统生长了GaAs/AlGaAs体系THz QCL有源区材料。研究了GaAs材料的表面形貌以及Si掺杂行为，并对不同组分 AlGaAs材料进行了表征分析。然后生长了多种有源区结构的THz QCL材料，高分辨率XRD分析表明，材料具有很高的晶体质量，组分及厚度都很准确，厚度误差仅1％左右。此外，还分析了大面积THz QCL材料的均匀性，在3英寸范围厚度变化能控制在2％以内，4英寸范围厚度变化达4％，大面积外延生长AlGaAs组分变化不大。 3.对THz QCL半绝缘表面等离子体波导和双面金属波导两种基本波导结构进行模拟，分析表明双面金属波导波导损耗大，但限制因子也大，具有更小的阈值增益。基于半绝缘表面等离子体波导工艺研制了THz QCL器件，表征了器件的激光特性。器件激射频率约2.95 THz，脉冲模式下，9K温度下为F-P腔多模激射，最高工作温度为67 K。连续波模式下，最大光输出功率1.2 mW，最高工作温度为30 K。