基于具有微納結(jié)構(gòu)的本征半導(dǎo)體層的太赫茲源及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)制備和太赫茲源設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到GaAs微納結(jié)構(gòu)的制備，及肖特基二極管太赫茲源的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，太赫茲波及其應(yīng)用的研究正成為國內(nèi)外光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。太赫茲電磁波頻率大致從100 GHz到10 THz之間，介于微波和遠紅外波段之間。太赫茲波在許多領(lǐng)域，如生物活體安全檢測、生物細胞類型識別、太赫茲成像、新型太赫茲電磁波雷達等，有著巨大的科學(xué)價值，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和國家安全將起到重要作用。長期以來，缺乏有效的太赫茲源和探測器成為阻礙這一技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸。研發(fā)一種新型、高效、低價、便于攜帶的太赫茲源，是當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題之一。
[0003]以基于低溫生長砷化鎵材料的光電導(dǎo)天線為代表的太赫茲源，由于其價格便宜、工藝簡單等優(yōu)勢，給太赫茲源的研發(fā)帶來了前所未有的光明前景，其工作頻率一般最高在2.5 THz (脈沖半高寬度FWHM可以達到1.4 THz)左右。但是這種器件由于低溫生長產(chǎn)生的材料缺陷數(shù)量是有限的，所以空穴和電子的復(fù)合所產(chǎn)生的太赫茲波的強度較低；其次，一般低溫生長的砷化鎵材料是選用半絕緣(SI)型襯底，由于缺陷存在，不能耐受高電場(高電場會產(chǎn)生很大的電流，燒毀芯片)；因此，載流子在電場中產(chǎn)生的加速度較小，從而太赫茲輻射的頻帶也較窄。以上兩點造成了目前傳統(tǒng)的太赫茲光電導(dǎo)天線的能量轉(zhuǎn)換效率很低，并且頻譜較窄。
[0004]目前有關(guān)太赫茲寬頻源器件的發(fā)明專利主要集中在太赫茲天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，對以上問題改善非常有限，如一種復(fù)合式光電導(dǎo)天線及太赫茲波輻射源(申請?zhí)?01210229910.8)、一種太赫茲輻射極大增強的光電導(dǎo)天線(申請?zhí)?01310104544.8)及一種太赫茲光電導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)(申請?zhí)?01220718762.1)等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于肖特基二極管結(jié)構(gòu)的太赫茲源器件，器件的核心部分是中間的本征砷化鎵層，而且本征層上設(shè)計了微納結(jié)構(gòu)。這層結(jié)構(gòu)不僅能夠提高栗浦光的吸收，而且作為缺陷中心能夠增加光生電子一空穴對的復(fù)合，從而增加太赫茲輻射強度。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種太赫茲輻射源，是基于肖特基二極管結(jié)構(gòu)的器件，該器件包括由上至下依次設(shè)置的:
帶有一個毫米級大小的窗口的第一金屬電極；
透明或半透明且能形成肖特基勢皇打的肖特基接觸層；
具有微納結(jié)構(gòu)的本征半導(dǎo)體層；
緩沖層；
襯底、 能夠形成歐姆接觸的歐姆接觸層，及，
第二金屬電極；
所述的本征半導(dǎo)體層為II1-V族高電子迀移率的化合物半導(dǎo)體層；所述的襯底為N型或P型重摻雜的高電子迀移率的半導(dǎo)體層。
[0007]上述的太赫茲輻射源，其中，所述的第一金屬電極為Au膜或其它金屬或者合金電極，厚度為幾十納米到幾百納米(即10^102納米量級);所述的第二金屬電極為Au膜或其它金屬或者合金電極，厚度為幾十納米到幾百納米(即10^102納米量級)。
[0008]上述的太赫茲輻射源，其中，所述的肖特基接觸層為NiCr膜，厚度為幾納米到幾十納米(S卩l(xiāng)O^lO1納米量級)，這是為了兼顧透明導(dǎo)電性和在微結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)通性。
[0009]上述的太赫茲福射源，其中，所述的本征半導(dǎo)體層為本征GaAs或或InP半導(dǎo)體層。
[0010]上述的太赫茲輻射源，其中，所述本征半導(dǎo)體層的厚度為幾百納米到幾微米(SP102~103納米量級)；所述微納結(jié)構(gòu)厚度為幾百納米到幾微米(即102~103納米量級)。
[0011]上述的太赫茲輻射源，其中，所述的緩沖層為N型摻硅GaAs緩沖層。
[0012]上述的太赫茲輻射源，其中，所述的襯底為N型GaAs襯底。
[0013]上述的太赫茲福射源，其中，所述的歐姆接觸層選擇AuGeNi合金膜或In膜，厚度選擇為幾十到幾百納米(即10^102納米量級)。
[0014]上述的太赫茲輻射源，其中，所述的肖特基二極管結(jié)構(gòu)可以是金屬-本征半導(dǎo)體-η型半導(dǎo)體(m-1-n)型肖特基二極管，還可以是金屬-本征半導(dǎo)體-ρ型半導(dǎo)體(m_1-p)型、η型半導(dǎo)體-本征半導(dǎo)體-Ρ型半導(dǎo)體(n-1-p)型或者ρ型半導(dǎo)體-本征半導(dǎo)體_n型半導(dǎo)體(p-1-n)型等能夠形成肖特基二極管的結(jié)構(gòu)，其中i代表本征半導(dǎo)體，并且在本征半導(dǎo)體層上制備一層微納結(jié)構(gòu)。這層結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)跗旨す庥休^高的吸收率，而且能夠促進光生電子一空穴對的復(fù)合，從而增強太赫茲輻射。
[0015]本發(fā)明還提供了一種上述的太赫茲輻射源結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括:
步驟1，預(yù)處理襯底；
步驟2，生長緩沖層；
步驟3，生長本征半導(dǎo)體層；
步驟4，在本征半導(dǎo)體層上制備微納結(jié)構(gòu)；
步驟5，在襯底的背面形成歐姆接觸:依次制備歐姆接觸層、第二金屬電極；然后，在微納結(jié)構(gòu)的表面制作肖特基接觸:鍍肖特基接觸層，然后形成具有毫米級大小窗口的第一金屬電極。
[0016]進一步地，在步驟4中，制備微納結(jié)構(gòu)的方法可以是超快激光加工，也可以是化學(xué)腐蝕(濕法或干法)手段，還可以是光刻技術(shù)；其中超快激光加工包括不同波長、不同脈寬、不同能量等各種強激光手段的有效組合。
[0017]本發(fā)明利用分子束外延技術(shù)(MBE)或者金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)等，在η型(或ρ型)重摻雜(摻雜Si )的砷化鎵(或者其它高電子迀移率的半導(dǎo)體體系)上，沿(001)方向生長未摻雜的本征砷化鎵層。在正式生長之前，先經(jīng)過真空腔高溫烘烤，去除氧化層；之后生長一層幾十到幾百納米摻硅的緩沖層，用于阻擋襯底中雜質(zhì)的擴散；最后再生長所需的本征層材料，厚度為幾百納米到幾個微米。然后，在本征砷化鎵層上制備微納結(jié)構(gòu)層。制備方法可以選擇激光加工、光刻或刻蝕(包括干法和濕法)。以激光加工為例，首先確定入射功率參數(shù)，如激光功率大小、脈沖數(shù)多少，可以形成對產(chǎn)生太赫茲的入射激光有較高吸收率的結(jié)構(gòu)；其次，搭建制備微納結(jié)構(gòu)的激光光路；然后，將砷化鎵襯底裝入抽真空的腔體里，并將真空腔置于一個水平--垂直二維平移臺上，平移臺垂直于激光入射方向；最后，開啟激光，用LabView程序控制步進電機，在本征砷化鎵上燒蝕一層微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明研發(fā)的器件對栗浦飛秒激光吸收效率可以達到90%。最后，利用現(xiàn)代微電子機械系統(tǒng)(MEMS)工藝，把微納結(jié)構(gòu)砷化鎵樣品加工成器件。首先，在砷化鎵襯底背面，用熱蒸發(fā)、電子槍等方式蒸鍍一層金鍺鎳(AuGeNi)合金或銦(In)及其它一切可以形成歐姆接觸的金屬或合金，然后在快速退火爐里進行退火處理，形成歐姆接觸，之后再用熱蒸發(fā)、磁控濺射或電子槍等手段鍍一層Au或其它金屬作為保護層。其次，在帶有微納結(jié)構(gòu)的本征層表面，用熱蒸發(fā)或電子槍等手段蒸鍍一層透明導(dǎo)電膜，如鎳鉻(NiCr)合金，使之與本征層之間形成肖特基勢皇。之后，利用光刻手段，在微納結(jié)構(gòu)表面形成一個毫米級的窗口。最后，在肖特基接觸層與歐姆接觸層上蒸鍍一層金屬電極(Au膜或者其它導(dǎo)電電極)作為電極。這樣，電場就可以加在超純本征砷化鎵層上。
[0018]本發(fā)明利用微納結(jié)構(gòu)層，實現(xiàn)了對入射栗浦飛秒激光高達90%的吸收；并且，它能夠促進光生電子一空穴對的復(fù)合，提高太赫茲輻射效率和輻射強度。本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，能夠使太赫茲輻射在0.5~3.0 THz范圍內(nèi)輻射強度提高近10 dB。它能夠為太赫茲時域光譜技術(shù)在爆炸物、毒品及細菌病毒檢測、生物活體成像及分析等應(yīng)用領(lǐng)域提供廉價、高效、可室溫工作的太赫茲輻射源。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一個新型太赫茲源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明在本征砷化鎵上制備的微納結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(SBO。
[0021]圖3a、3b為在相同的光電流和電場強度條件下，本發(fā)明的微納結(jié)構(gòu)對本征砷化鎵太赫茲源的輻射特性的影響:圖3a代表時域圖，圖3b代表頻域圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]如圖1所示，為本發(fā)明的一種典型的太赫茲輻射源，其是基于肖特基二極管結(jié)構(gòu)的器件，該器件包括由上至下依次設(shè)置的:
帶有一個毫米級大小的窗口的第一金屬電極1 ;
透明或半透明且能形成肖特基