Способ усиления мощности радиочастотно-модулированного терагерцового излучения 30-периодной слабосвязанной полупроводниковой сверхрешетки GaAs/AlGaAs
POWER AMPLIFICATION METHOD OF RADIO FREQUENCY MODULATED TERAHERTZ RADIATION OF 30-PERIOD WEAKLY BOUND SEMICONDUCTOR SUPERLATTICE GaAs / AlGaAs

Изобретение относится к нескольким разделам физики, включающим физику полупроводниковых наноструктур, квантовую радиофизику, а также нелинейные колебания и волны, и посвящено усилению мощности радиочастотно-модулированного терагерцового излучения слабосвязанной полупроводниковой сверхрешетки.
12
В 1994 году на основе сильносвязанных полупроводниковых сверхрешеток была изготовлена первая структура квантово-каскадного лазера GaInAs/AlInAs (2.8/3.0 нм) с длиной волны излучения 4.2 мкм [1]. В настоящее время квантово-каскадные лазеры (ККЛ) успешно работают в области длин волн 4-24 мкм при комнатных температурах, мощность излучения ККЛ составляет десятки мВт в режиме непрерывной генерации [2] и достигает единиц Вт в импульсном режиме генерации излучения [3]. Интенсивно проводятся исследования по созданию структур ККЛ, работающих в терагерцовой области спектра 0.1-10 ТГц (1 ТГц = 10 Гц), в которой энергия излучаемого фотона меньше энергии продольного оптического фонона (36 мэВ) [4]. В настоящее время максимальная рабочая температура терагерцового ККЛ составляет 199,5 К [5]. В квантово-каскадных лазерах усиление мощности излучения достигается благодаря каскадной конструкции квантового лазера, которая содержит несколько десятков активных модулей, включенных последовательно. В процессе туннелирования вдоль оси сверхрешетки (CP) каждый электрон проходит через несколько активных модулей, излучая фотон при межподзонном излучательном переходе в каждом модуле. Усиление мощности излучения в активном модуле определяется, в основном, величиной инверсной населенности уровней минизон и силой осциллятора [6]. Несмотря на большие достижения в разработке терагерцовых ККЛ, дальнейшее повышение рабочей температуры в структурах ККЛ на основе сильносвязанных полупроводниковых сверхрешеток с широкими минизонами и требуемым узким (меньше 36 мэВ) энергетическим зазором между ними представляется сложным, т.к. температурное уширение минизон может ограничить температурный диапазон ТГц приборов. Следует отметить, что большой критический ток (порядка сотен мА) вызывает перегрев структуры ККЛ, работающей в режиме генерации непрерывного излучения, и является одним из факторов, приводящих к быстрой деградации прибора.
В связи с вышеизложенным, было предпринято исследование возможности генерации ТГц излучения слабосвязанными сверхрешетками. Полупроводниковые сверхрешетки в зависимости от степени перекрытия электронных волновых функций между соседними квантовыми ямами делятся на сильно и слабосвязанные. Величина перекрытия волновых функций электронов между соседними квантовыми ямами задается толщиной барьеров и шириной квантовых ям. В сильносвязанных сверхрешетках, в которых толщина барьеров меньше 4 нм, сильное перекрытие волновых функций электронов между соседними квантовыми ямами приводит к образованию широких (больше 10 мэВ) минизон. Тогда как в слабосвязанных сверхрешетках, в которых ширина барьеров >4 нм, имеет место слабое перекрытие электронных волновых функций (фазовая когерентность нарушается) и ширина минизон не превышает 1 мэВ.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа усиления межподзонного модулированного излучения слабосвязанной полупроводниковой сверхрешетки. Получена генерация дальнего инфракрасного и терагерцового излучения слабосвязанной 30-периодной сверхрешетки GaAs/AlGaAs, смещенной в режим генерации автоколебаний тока [7]. Генерация автоколебаний тока обусловлена наличием в вольт-амперной характеристике слабосвязанной сверхрешетки областей с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП), присутствие которых приводит к нестационарным процессам, возникающим при резонансном туннелировании электронов из одной квантовой ямы в следующую посредством образования и последовательного перемещения границы электрополевого домена вдоль оси сверхрешетки. В 1994 году теоретически было предсказано [8], что в слабосвязанной CP при определенном уровне легирования возникают колебания тока, обусловленные пространственно-временными колебаниями границы электрополевого домена. Предполагается [9], что генерация спонтанных незатухающих автоколебаний тока должна сопровождаться излучением фотонов в дальней инфракрасной области спектра благодаря межподзонным оптическим переходам. Длина волны излучения пропорциональна энергетическому расстоянию между двумя соседними минизонами. При этом излучение должно быть модулировано с частотой, равной фундаментальной частоте собственных автоколебаний тока.
0.3
0.7
0.3
0.7
Al
Ga
As
Исследования показали, что в частотном спектре модулированного излучения наряду с линией, соответствующей фундаментальной частоте автоколебаний тока, присутствуют также и линии высших гармоник. Фундаментальная частота автоколебаний тока исследуемой нами 30-периодной сверхрешетки GaAs/AlGaAs (с шириной квантовых ям GaAs равной 28 нм и барьеров  равной 10 нм) изменяется в пределах 0.5-8 МГц. Автоколебания регистрируются в интервале температур 4.2-150 К. Мощность излучения одной меза-структуры, измеренная с помощью сверхпроводникового NbN болометра, составила 20 нВт [7].
Для создания источника излучения на основе слабосвязанной сверхрешетки необходимо усилить мощность излучения. Для усиления мощности излучения разработана схема параллельного соединения нескольких меза-структур, схема которого показана на фиг. 1. 30-периодная сверхрешетка GaAs/AlGaAs (28/10 нм) выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке (100) n+- GaAs. Меза-структуры диаметром 350 мкм изготавливались методом фотохимического травления. Активная область расширенной границы электрополевого домена, в которой происходит генерация автоколебаний тока, сопровождающаяся дальним инфракрасным и терагерцовым излучением, выделена темным цветом. Сопротивление нагрузки равно 50 Ом.
Для измерения болометрического отклика образец помещался в гелиевый криостат и крепился напротив приемной площадки сверхпроводникового NbN болометра на расстоянии 4-5 мм. Диаметр одной мезы равен 350 мкм. Сигнал болометра усиливался с помощью усилителя на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) с коэффициентом усиления 20 дБ. Автоколебания тока и сигнал с болометра одновременно подавались на первый и второй каналы осциллографа Tektronix TDS 2022 В соответственно. На фиг. 2 показаны записи автоколебаний тока и сигнала с болометра (верхняя и нижняя осциллограммы соответственно) на излучение одной меза-структуры (а), двух меза-структур (б) и трех меза-структур (в) сверхрешетки (CP), соединенных параллельно. Справа и слева от каждой осциллограммы показаны результаты Фурье-анализа болометрического сигнала и автоколебаний тока соответственно.
Мощность излучения оценивалась по амплитуде сигнала болометра, имеющего чувствительность Sv=10 В/Вт. На фиг. 3 представлена зависимость мощности излучения от числа включенных меза-структур, из которой следует, что при параллельном соединении нескольких мез мощность излучения растет линейно (серая линия). Как видно из фиг. 3, при включении трех меза-структур мощность излучения достигает 220 нВт.
Сущность изобретения состоит в том, что для усиления мощности модулированного дальнего инфракрасного и терагерцового излучения слабосвязанной сверхрешетки предложен способ параллельного соединения нескольких меза-структур слабосвязанной сверхрешетки, смещенных в режим генерации автоколебаний тока.
Разработанный и проверенный способ параллельного включения нескольких меза-структур показал, что с увеличением числа включенных меза-структур мощность излучения растет линейно. На основании проведенных экспериментов можно предположить, что при параллельном соединении нескольких десятков меза-структур, включенных в режим генерации автоколебаний тока, мощность излучения составит десятки мкВт. Использование в качестве активного излучательного элемента слабосвязанной полупроводниковой сверхрешетки с шириной минизоны меньше 1 мэВ открывает возможности для повышения рабочей температуры терагерцовых квантовых источников излучения выше комнатной.
Таким образом, предложенный в настоящем изобретении способ обладает следующими преимуществами перед успешно работающими квантово-каскадными лазерами на основе сильносвязанных полупроводниковых сверхрешеток:
1) Ширина минизоны в слабосвязанных сверхрешетках значительно меньше ширины минизоны в сильносвязанной CP и не превышает 1 мэВ. Таким образом, при работе в терагерцовой области спектра (1-10 ТГц или 4-40 мэВ) можно избежать температурного перекрытия минизон, ответственного за излучение.
2) Рабочий ток через меза-структуру слабосвязанной сверхрешетки составляет несколько единиц мА, тогда как в структурах ККЛ критический ток достигает сотен мА. Большой критический ток вызывает перегрев структуры, работающей в режиме генерации непрерывного излучения, и является одним из факторов, приводящих к быстрой деградации прибора.
3) Радиочастотная модуляция терагерцового излучения квантово-каскадных лазеров необходима для их использования в прикладных целях. В настоящее время амплитудная модуляция терагерцового излучения осуществляется несколькими способами: а) включением в цепь питания квантово-каскадного лазера генератора радиочастотных колебаний [10-12]; б) использованием материалов и устройств, в которых пропускание терагерцового излучения периодически изменяется при приложении постоянного смещения [13-16]. Однако в перечисленных устройствах глубина модуляции терагерцового излучения с применением указанных методов не превысила 50%.
В отличие от этого в структуре слабосвязанной сверхрешетки генерация терагерцового излучения наблюдается только при смещении CP в режим генерации автоколебаний тока, фундаментальная частота которых находится в области 1-8 МГц. Так как структура излучает только в режиме генерации автоколебаний тока, то глубина амплитудной модуляции терагерцового излучения равна 100% и не требует включения дополнительных внешних приборов и устройств в цепь питания структуры.
Предложенный способ усиления излучения слабосвязанной сверхрешетки отличается от способа усиления излучения в квантово-каскадных лазерах тем, что:
1) в квантово-каскадных лазерах на основе сильносвязанных сверхрешеток для усиления мощности излучения активные модули соединяются последовательно [1-6]. Схема же параллельного соединения нескольких меза-структур слабосвязанной сверхрешетки ранее не применялась для усиления терагерцового излучения,
2) слабосвязанные полупроводниковые сверхрешетки не использовались в качестве активных элементов источников терагерцового излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco C. Sirtori, A.L. Hutchinson, A.Y. Cho, Science 264, 553 (1994) "Quantum Cascade Laser".
2. A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, "Distributed-feedback quantum-cascade lasers at 9 μm operating in continuous wave up to 423 K," IEEE Photon. Technol. Lett. 21(12), 814-816 (2009).
3. B. Gokden, Y. Bai, N. Bandyopadhyay, S. Slivken, and M. Razeghi, "Broad area photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers emitting 34 W at λ ~4.36 μm," Appl. Phys. Lett. 97(13), 131112 (2010); S. Menzel, L. Diehl, C. Pflugl, A. Goyal, C. Wang, A. Sanchez, G. Turner, and F. Capasso, "Quantum cascade laser master-oscillator power amplifier with 1.5 W output power at 300 K" Optic Express 19, 16229 (2011).
4. B.S. Williams, Nature photonics 1, 517-525 (2007) "Terahertz Quantum Cascade Lasers".
5. S. Fathololoumi, E. Dupont, C.W.I. Chan, Z.R. Wasilewski, S.R. Laframboise, D. Ban, C. Jirauschek, Q. Hu, and H.C. Liu, Optics Express 20, 3866-3876 (2012) "Terahertz quantum cascade lasers operating up to ~200 K with optimized oscillator strength and improved injection tunneling".
6. C. Gmachl, F. Capasso, D.L. Sivco and A.Y. Cho, Rep. Prog. Phys. 64, 1533-1601 (2001) "Recent progress in quantum cascade lasers and applications".
7. G.K. Rasulova, P.N. Brunkov, I.V. Pentin, D.A. Knyazev, G.N. Goltsman, A. Andrianov, A. Zakchar’in, A.Yu. Egorov, Appl. Phys. Lett. 100, 131104 (2012) "A weakly coupled semiconductor superlattice as a potential for a radio frequency modulated terahertz light emitter".
8. L.L. Bonilla, J. Galan, J.A. Cuesta, F.C. Martinez, J.M. Molera Phys. Rev. B50, 8644 (1994) "Dynamics electric-field domains and oscillations of the photocurrent in a simple superlattice model".
9. G.K. Rasulova, P.N. Brunkov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, J. Appl. Phys. 105, 033711 (2009) "Self-oscillations in weakly coupled GaAs/AlGaAs superlattices at 77.3 K".
10. R. Paiella, F. Capasso, C. Gmachl, H.Y. Hwang, D.L. Sivco, A.L. Hutchinson, and A.Y. Cho, Appl. Phys. Lett. 77, 169 (2000), "Monolithic active mode locking of quantum cascade lasers.".
11. S. Barbieri, W. Maineult, S.S. Dhillon, C. Sirtori, J. Alton, N. Breuil, H.E. Beere, and D.A. Ritchie, Appl. Phys. Lett. 91, 143510 (2007).
12. W. Maineult, L. Ding, P. Gellie, P. Filloux, C. Sirtori, S. Barbieri, T. Akalin, J.-F. Lampin, I. Sagnes, H.E. Beere et al., Appl. Phys. Lett. 96, 021108 (2010).
13. W.L. Chan, H.-T. Chen, A.J. Taylor, I. Brener, M.J. Cich, and D.M. Mittleman, Appl. Phys. Lett. 94, 213511 (2009) "A spatial light modulator for terahertz beams.".
14. H.-T. Chen, S. Palit, T. Tyler, С.M. Bingham, J.M.O. Zide, J.F. O’Hara, D.R. Smith, A.C. Gossard, R.D. Averitt, W.J. Padilla et al., Appl. Phys. Lett. 93, 091117 (2008) "Hybrid metamaterials enable fast electrical modulation of freely propagating terahertz waves.".
15. T. Kleine-Ostmann, P. Dawson, K. Pierz, G. Hein, and M. Koch, Appl. Phys. Lett. 84, 3555 (2004) "Room-temperature operation of an electrically driven terahertz modulator.".
16. T. Kleine-Ostmann, K. Pierz, G. Hein, P. Dawson, M. Marso, and M. Koch, J. Appl. Phys. 105, 093707 (2009) "Spatially resolved measurements of depletion properties of large gate two-dimensional electron gas semiconductor terahertz modulators."