基于具有微納結構的本征半導體層的太赫茲源及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體微納結構制備和太赫茲源設計與制備技術領域，具體涉及到GaAs微納結構的制備，及肖特基二極管太赫茲源的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，太赫茲波及其應用的研究正成為國內外光學、電子學等領域的研究熱點。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，有著巨大的科學價值，對國民經濟的發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發展的最大瓶頸。研發一種新型、高效、低價、便于攜帶的太赫茲源，是當前迫切需要解決的關鍵科技問題之一。
[0003]以基于低溫生長砷化鎵材料的光電導天線為代表的太赫茲源，由于其價格便宜、工藝簡單等優勢，給太赫茲源的研發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生的材料缺陷數量是有限的，所以空穴和電子的復合所產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(高電場會產生很大的電流，燒毀芯片)；因此，載流子在電場中產生的加速度較小，從而太赫茲輻射的頻帶也較窄。以上兩點造成了目前傳統的太赫茲光電導天線的能量轉換效率很低，并且頻譜較窄。
[0004]目前有關太赫茲寬頻源器件的發明專利主要集中在太赫茲天線結構設計，對以上問題改善非常有限，如一種復合式光電導天線及太赫茲波輻射源(申請號201210229910.8)、一種太赫茲輻射極大增強的光電導天線(申請號201310104544.8)及一種太赫茲光電導天線結構(申請號201220718762.1)等。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種新型的基于肖特基二極管結構的太赫茲源器件，器件的核心部分是中間的本征砷化鎵層，而且本征層上設計了微納結構。這層結構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合，從而增加太赫茲輻射強度。
[0006]為達到上述目的，本發明提供了一種太赫茲輻射源，是基于肖特基二極管結構的器件，該器件包括由上至下依次設置的:
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；
具有微納結構的本征半導體層；
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；
所述的本征半導體層為II1-V族高電子迀移率的化合物半導體層；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lO^lO1納米量級)，這是為了兼顧透明導電性和在微結構上的導通性。
[0009]上述的太赫茲福射源，其中，所述的本征半導體層為本征GaAs或或InP半導體層。
[0010]上述的太赫茲輻射源，其中，所述本征半導體層的厚度為幾百納米到幾微米(SP102~103納米量級)；所述微納結構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構可以是金屬-本征半導體-η型半導體(m-1-n)型肖特基二極管，還可以是金屬-本征半導體-ρ型半導體(m_1-p)型、η型半導體-本征半導體-Ρ型半導體(n-1-p)型或者ρ型半導體-本征半導體_n型半導體(p-1-n)型等能夠形成肖特基二極管的結構，其中i代表本征半導體，并且在本征半導體層上制備一層微納結構。這層結構不僅能夠對栗浦激光有較高的吸收率，而且能夠促進光生電子一空穴對的復合，從而增強太赫茲輻射。
[0015]本發明還提供了一種上述的太赫茲輻射源結構的制備方法，該方法包括:
步驟1，預處理襯底；
步驟2，生長緩沖層；
步驟3，生長本征半導體層；
步驟4，在本征半導體層上制備微納結構；
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，在微納結構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，制備微納結構的方法可以是超快激光加工，也可以是化學腐蝕(濕法或干法)手段，還可以是光刻技術；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]本發明利用分子束外延技術(MBE)或者金屬氧化物化學氣相沉積(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構層。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，如激光功率大小、脈沖數多少，可以形成對產生太赫茲的入射激光有較高吸收率的結構；其次，搭建制備微納結構的激光光路；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構。本發明研發的器件對栗浦飛秒激光吸收效率可以達到90%。最后，利用現代微電子機械系統(MEMS)工藝，把微納結構砷化鎵樣品加工成器件。首先，在砷化鎵襯底背面，用熱蒸發、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、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，在帶有微納結構的本征層表面，用熱蒸發或電子槍等手段蒸鍍一層透明導電膜，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，在微納結構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]本發明利用微納結構層，實現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合，提高太赫茲輻射效率和輻射強度。本發明器件結構簡單，技術成熟，能夠使太赫茲輻射在0.5~3.0 THz范圍內輻射強度提高近10 dB。它能夠為太赫茲時域光譜技術在爆炸物、毒品及細菌病毒檢測、生物活體成像及分析等應用領域提供廉價、高效、可室溫工作的太赫茲輻射源。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的一個新型太赫茲源的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明在本征砷化鎵上制備的微納結構的掃描電鏡圖(SBO。
[0021]圖3a、3b為在相同的光電流和電場強度條件下，本發明的微納結構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]以下結合附圖詳細說明本發明的技術方案。
[0023]如圖1所示，為本發明的一種典型的太赫茲輻射源，其是基于肖特基二極管結構的器件，該器件包括由上至下依次設置的:
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