基于类氢施主光热电离的新型GaAs/AlGaAs太赫兹量子阱探测器及其磁场调控研究

The development of terahertz (THz) electromagnetic waves which have potential applications in many fields such as electronics, information and medical diagnosis is limited by the lack of high performance solid-state THz detectors. The GaAs/AlGaAs THz quantum well photodetector (QWP) is one strong candidate except its low responsivity and narrow wavelength-tunability, which could be hardly overcome in the traditional detection mechanism inherently based on intersubband transition in quantum wells. In this project, we propose a novel GaAs/AlGaAs THz QWP concept which firstly exploits the quantization of Landau level in well layers to control their resonant with the ground state of hydrogenic donor in barrier layers leading to the electron transfer between well and barrier layers, and subsequently exploits the photothermal ionization of electrons in the ground state of hydrogenic donor to respond to incident THz irradiations. In this research, we will investigate on the electron scattering mechanism between resonant states, novel THz detection mechanism, unusual carrier transport phenomenon, and try to develop corresponding modulation technologies by magnetic field. We aim at realization of intrinsically high responsivity and wide wavelength-tunability GaAs/AlGaAs THz QWP. Meanwhile, this research will contribute to the fundamental physics of THz detections.

在电子、信息与生命等领域蕴藏着巨大应用前景的太赫兹波（THz）的发展，受到缺少高性能固态THz探测器的严重限制。GaAs/AlGaAs THz量子阱探测器（QWP）是可能的解决方案，缺点是响应度与波长可调范围离实际应用尚有差距。然而，基于量子阱子带能级跃迁的传统探测机制决定了难以对上述缺点进行显著改进。为此，本项目提出了一种新型GaAs/AlGaAs THz QWP概念，即先利用势阱层中朗道能级的量子化效应，通过磁场操控朗道能级与势垒层中类氢施主基态能级的共振，使电子发生自势阱层向势垒层的转移；再利用处于类氢施主基态能级上电子的光热电离效应实现对入射THz辐射的响应。在保持传统THz QWP优点的同时，从原理上实现高响应度与宽波长可调的THz探测。本项目将详细研究新型器件中电子在共振能级间转移的散射机制、器件工作原理、载流子输运及相应的磁场调控技术。本研究也为THz探测的基础理论做出贡献。

在长波红外探测器阵列中激光束诱导电流的极性反转与耦合的实验现象与数值模拟研究中发现，由离子注入产生的深俘获中心对温度非常敏感，导致在离子注入区域内的准费米能级相对于Hg间隙原子扩散区和As掺杂区域下降。Hg间隙原子、As掺杂两性行为、离子注入损伤缺陷及混合传导等，是在不同温度下产生极性反转、耦合、结宽的主要因素。利用红外偏振反射谱和Raman光谱研究了非线性光学红外晶体结构扭曲对光学声子特性的影响，得到的TO模物理参数与第一性原理计算结果一致。观察到的TO模式归结于原胞中特殊原子的运动。实验测量了被伽马射线辐照的InGaN/GaN时间分辨的PL光谱，PL光谱的辐射时间随辐照剂量增加，说明了In组分的波动是辐照后PL发光封位移的主要原因。研究了红外焦平面阵列探测器变温激光束诱导电流谱中的局域化结漏行为，是导致出现这种不同分布形貌的主要因素。原因是缺陷辅助的隧道电流在低温时占主导地位，而扩散电流在高温时占主导地位。利用消除量子点记忆效应的复位技术研究了量子点单光子探测器的光电流谱。观察到了1.3微米更长波长处的光电流尾翼，展示了由于量子点电子能带间跃迁导致的近红外（约1100纳米）单光子灵敏度。对工作在77K温度下的量子点单光子探测器引入的复位操作进行了系统性研究。在受抑制电流波动高微分电导区实现了灵敏的单光子探测。研究了由杂化等立体-光子晶体修饰的胶体CdSe/ZnS量子点的自发辐射。结果表明，准二维杂化等离子-光子晶体可以用作CdSe/ZnS量子点发光特性的调制器，或许在光激发器件应用中有重要意义。利用自搭建微区反射光谱平台，研究了二硫化钨薄膜中激子与Fabry-Perot(F-P)空腔谐振模之间的强耦合。测量得到的与厚度相关反射光谱显示出了典型的反交叉行为及腔极化声子的形成。研究了线性光学量子计算中用于监测量子栅门的可分辨光子数目的低噪声单光子探测器。展示了一种基于量子点耦合共振隧道二极管（QD-cRTD）的光子数目分辨的探测器。使得我们所提出的探测器成为一种可对光子数目状态进行准确分辨的高级量子信息潜在应用。研究了通过应力工程生长的带扣硫化镉纳米带辐射能的调制，激子动力学及激射特性。进行了微区荧光及微区反射光谱的测试与表征。测试结果表明应力调制的硫化镉纳米带可以做为柔性发光二极管及片上全光器件的功能材料。