[發明專利]常溫半導體脈澤及其應用

在審

• 申請號: 201910604297.5
• 申請日: 2019-07-05
• 公開（公告）號: CN110247288A
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 補世榮;符陽;陳柳;曾成;寧俊松;王占平
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種常溫半導體脈澤及其應用，屬于量子力學、半導體物理、電子學技術領域。該常溫半導體脈澤通過泵浦微波將含異質結的晶體管中的極化激元激發到高能級，諧振網絡在其諧振頻率處提供指定的能量通路，使得被激發到高能級的極化激元向下躍遷到能級區域內的指定能級，對外輻射電磁波。本發明有效解決了現有脈澤器件對工作環境要求嚴苛、體積龐大、工藝復雜等難題，通過采用通用半導體工藝條件制作的含異質結的晶體管實現常溫脈澤，結構簡單，能在常溫環境工作，且無需激光作為泵浦即能工作。

技術領域

本發明屬于量子力學、半導體物理、電子學技術領域，具體涉及一種利用含異質結的晶體管能級特性實現脈澤的技術。

背景技術

篝火、陽光及宇宙背景輻射等是我們常見的自發輻射，但要獲得有規律的相干輻射(或稱受激輻射)則必須依靠各種技術手段才能實現。對于半導體激光器，人們通常利用半導體材料中電子在導帶和價帶間的躍遷(半導體材料的禁帶寬度通常為1-2eV)來實現發光。在微波頻段，由于頻率低，以頻率f＝1GHz的微波為例，由普朗克公式，其對應能量僅為E_1GHz＝h·f＝4.1×10^-6eV，其中h為普朗克常數，不可能像激光器一樣使電子跨越禁帶從而實現受激輻射。在微波頻段要實現受激輻射，現有的方法主要是利用電子在原子或分子的固有離散能級間的躍遷輻射來實現。據我們所知，目前還無法在常溫條件下利用成熟、便利的半導體來實現脈澤(MASER)。

目前，世界上尚無基于晶體管能級特性，采用微波電磁能量作為泵浦，實現脈澤的電路和方法。脈澤通常應用于原子鐘，如氫原子鐘、銣原子鐘、銫原子鐘等，但由于脈澤器件的體積和重量較大，基于此的原子鐘體積和重量也都非常大，且難以小型化。目前較為熱門的相干布居囚禁原子鐘雖然在結構上有所簡化、體積有所減小，但仍然需要激光的參與才能實現微波輸出【相干布居囚禁原子鐘理論與實驗研究，王鑫，博士論文，2015】。也有采用并五苯摻雜的三聯苯作為增益媒質，黃光脈沖染料激光作為泵浦源，利用TE_01δ作為諧振模式的常溫微波激射器，如圖1所示【room temperature solid state maser,MarkOxborrow,Nature,Aug.2012.】。但是，該方法所使用的媒質加工工藝非通用，搭建裝置所需的部件較多，結構較為復雜，且只能產生脈沖形式的微波。

2018年3月報道的常溫連續波脈澤，如圖2所示【Continuous wave roomtemperature diamond maser,Jonathan D.Breeze,Nature，Mar.2018】，通過將具有高珀塞爾因子的腔與金剛石中NV缺陷過渡的窄線寬相結合，采用輸入功率為500mW、波長為532nm激光作為泵浦，產生了頻率為9.2GHz、輸出功率不到0.8pw的微波信號，效率為1.6×10^-9。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種常溫半導體脈澤及其實現方法和應用，利用含異質結的晶體管的能級區域，泵浦微波使極化激元被激發到高能級，被激發的極化激元向下躍遷到該能級區域內的指定能級，對外輻射電磁波。

本發明采用的技術方案如下：

一種常溫半導體脈澤的實現方法，其特征在于，通過泵浦微波將含異質結的晶體管中的極化激元激發到高能級，諧振網絡在其諧振頻率處提供指定的能量通路，使得被激發到高能級的極化激元向下躍遷到能級區域內的指定能級，對外輻射電磁波。

進一步地，所述能級區域內的指定能級采用諧振網絡進行調節，以滿足實際應用對輻射電磁波的需求。

進一步地，被激發到高能級的極化激元先躍遷至指定能級，然后從指定能級躍遷到基態能級。其中，被激發到高能級的極化激元躍遷至指定能級時，輻射產生微波的頻率根據輸入泵浦微波頻率與諧振網絡的諧振頻率確定；從指定能級躍遷到基態能級時，輻射產生的頻率等于諧振網絡的諧振頻率。