專利名稱：集成納米微腔電流放大器的制作方法
技術領域：
本發明屬于新結構的電流放大器，涉及一種集成納米微腔電流放大器。
背景技術：
當今社會，光電子器件正起到越來越重要的作用。人們對更高速的電腦運行速度要求和各行各業對光電子器件的越來越多的需求正導致光電子器件尺寸的小型化，并且要有良好的高速反應特性和高頻特性。隨著納米微加工技術的發展和成熟，光電子器件在小型化上也正在飛速的發展。在過去的數十年中光電子器件的尺寸持續減小，并且這個趨勢也會持續下去。由于器件尺寸的減小，傳統器件的理論正面臨量子力學的挑戰。由于能帶結構、泡利不相容原理等量子力學效應帶來的載流子費米能級分布將代替經典意義上的波爾茲曼分布。為了突破傳統器件的量子理論局限，新興的納米光電子器件正在越來越多的被國際關注。碳納米管、納米線、量子點等等被廣泛研究和學習。在傳統的光電器件中，雖然有著很好的響應速度和高頻特性，但是由于光波長的限制和衍射效應的影響，很難將器件尺寸做到亞波長甚至納米量級。而傳統的電子器件雖然可以將尺寸做到納米量級，但是又由于其過于依賴電子漂移速度，使得響應速度和高頻特性較低，在高頻區往往面臨無法工作的難題。以通常意義上的場效應三極管為例，為了獲得更高的響應速度，不得不將基區寬度做的很窄，但是理論上又面臨著基區寬度過窄導致的量子遂穿和基區寬度調變效應的影響。表面等離子體激元是指光子與導體中的自由電子相互作用而被俘獲，外來電磁場激發引起的金屬中電荷密度漲落，產生集體振蕩，輻射出的電磁模式。這種電磁模式滿足麥克斯韋方程組，并且在垂直導體表面的兩個方向上都成指數衰減，能量不能夠從表面逃逸， 從而自由電子和光波產生的持續性共振，使得光的波矢量發生改變從而被局域在導體表面傳播。鑒于表面等離子體激元的特性，它可以將電磁場能量限制在亞波長甚至納米量級，而且其反應速度遠遠高于傳統的電子器件，是一種同時實現高反應速度和小尺寸光電子器件的解決辦法，并在國際上被廣為研究。
發明內容
為了實現上述目的，本發明提供一種基于表面等離子激元效應、尺寸納米量級具有良好反應速度和高頻特性的集成納米微腔電流放大器。集成納腔電流放大器，包括電流放大電極、信號電極、總電流電極、η型摻雜波導、ρ 型摻雜波導、電致發光材料和襯底，在襯底上集成有電致發光材料和P型摻雜波導，在P型摻雜波導結構上集成有η型摻雜波導，η型摻雜波導、P型摻雜波導、電致發光材料的頂面在同一平面上，并且粗糙度小于2納米，在η型摻雜波導頂部集成有電流放大電極，ρ型摻雜波導頂部集成有信號電極，電致發光材料頂部集成有總電流電極。
本發明的電流放大器具有尺寸小、反應速度快、高頻特性好于目前商用的三極管器件，并且除了提供三極管類似的電流放大效果之外，還可以用作納米微腔發光器件。其應用廣泛，并不限于本身三極管的工作范圍。
圖1為本發明集成納米微腔電流放大器的立體圖。圖2為本發明集成納米微腔電流放大器剖面的平面圖。圖3為本發明的共信號電極電流放大接法。圖4為本發明的共總電流電極電流放大接法。圖5為本發明的正偏納米光源發光接法。圖中1、電流放大電極、2、信號電極、3、總電流電極、4、η型摻雜波導、5、ρ型摻雜波導、6、電致發光材料，7、襯底。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細說明。如圖1圖2所示，集成納腔電流放大器，包括電流放大電極1、信號電極2、總電流電極3、η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5、電致發光材料6和襯底7，在襯底7上集成有電致發光材料6和ρ型摻雜波導5，在ρ型摻雜波導5結構上集成有η型摻雜波導4，η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5、電致發光材料6的頂面在同一平面上，并且粗糙度小于2納米，在η 型摻雜波導4頂部集成有電流放大電極1，ρ型摻雜波導5頂部集成有信號電極2，電致發光材料6頂部集成有總電流電極3。所述η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5、電致發光材料6，這3個結構的厚度結構小于電致發光材料6在通電情況下發光波長的一半，形成亞波長的光波導微腔結構。所述電流放大電極1和信號電極2之間，信號電極2和總電流電極3之間的距離都很小，在保證電極通電之后不會被電擊穿的基礎上，在理論計算上要使得漏出器件之外的能量盡可能的小，均小于等于100納米。在電流放大工作方式時，采用共信號電極接法或者共總電流電極接法，其中電流放大電極與信號電極之間電壓反偏形成光電二極管結構，總電流電極相對信號電極反偏， 當電流放大電極相對信號電極正偏的時候，器件處于發光模式工作，可以用作納米量級的光源。本發明中，襯底7為GaAs材料，電致發光材料6是通過外延生長技術，在GaAs襯底上制作多量子阱結構，其中量子阱的上下波導層采用AlaiG^9As材料，有源層的量子阱結構采用Ina2GEia8As或GaAs材料。電致發光材料6的總厚度為200nm，直徑200nm。制作出電致發光材料6的結構之后，再通過刻蝕、二次外延生長、磁控濺射的方法，制作η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5組成的光電二極管結構，選用材料為η型摻雜波導 4采取N+-InP, ρ型摻雜波導5采取PHnGaAs。保證η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5的厚度與電致發光材料6的厚度相等或者近似。η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5的厚度與電致發光材料6組成的圓環結構，內環直徑為200nm，與電致發光材料6相連，外環直徑為400nm。最后通過真空鍍膜技術在器件整體表面鍍一層200nm厚的金膜，并且刻蝕以及進行電極制備，制作電流放大電極1、信號電極2、總電流電極3。要求金膜厚度制備要盡可能平整均勻。刻蝕要刻穿金膜層，并且刻蝕縫隙要盡量小，在保證縫隙完全覆蓋η型摻雜波導 4、ρ型摻雜波導5、電致發光材料6之間的接觸結構的基礎上，通過理論計算使得漏向外界的電磁場能量盡量小。本案例中使用的縫隙寬度是50nm。在電流放大模式接法(圖3、圖4)中由量子阱材料激發出來的光子，被η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5組成的光電二極管結構吸收，并且在光電二極管內激發出電子-空穴對。在反偏電場的作用下，電子被掃向電流放大電極，空穴被掃向信號電極，在信號電極跟總電流電極漂移過來的電子復合，從而減小信號電極電流。在量子阱的內量子效率達到100%，η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5組成的光電二極管結構的內量子效率達到99%的時候，電流放大電極的電流是信號電極電流的99倍，實現了電流放大。在發光模式接法(圖5)中，由于PN結正偏，即便由量子阱材料激發出來的光子， 被η型摻雜波導4、ρ型摻雜波導5組成的光電二極管結構吸收，并且在光電二極管內激發出電子-空穴對，在正偏電場的作用下，電子仍向量子阱材料注入，量子效率很小，此時激發出來的光子大多數耦合成為表面等離子體激元并在器件邊界出射，實現電致發光的納米光源。本發明結構簡單，材料常見，工藝較為成熟，容易推廣，可以如同三極管一樣起到電流放大作用，但采取不同的接法又可以實現發光功能，不局限于三極管作用本身，并且體積小、反應速度快、高頻性質好，將會得到更加廣泛的應用。
權利要求
1.集成納腔電流放大器，其特征在于，該放大器包括電流放大電極(1)、信號電極O)、 總電流電極(3)、η型摻雜波導G)、P型摻雜波導(5)、電致發光材料(6)和襯底(7)，在襯底(7)上集成有電致發光材料(6)和ρ型摻雜波導(5)，在ρ型摻雜波導( 結構上集成有η型摻雜波導⑷，η型摻雜波導⑷、P型摻雜波導(5)、電致發光材料(6)的頂面在同一平面上，并且粗糙度小于2納米，在η型摻雜波導(4)頂部集成有電流放大電極(1)，ρ型摻雜波導( 頂部集成有信號電極O)，電致發光材料(6)頂部集成有總電流電極(3)。
2.根據權利要求1所述的集成納腔電流放大器，其特征在于，所述η型摻雜波導(4)、ρ 型摻雜波導(5)和電致發光材料(6)，這3個結構在垂直方向上厚度小于電致發光材料(6) 在通電情況下發光波長的一半。
3.根據權利要求1所述的集成納腔電流放大器，其特征在于，所述電流放大電極(1)與信號電極O)、信號電極⑵與總電流電極⑶之間的距離均小于等于100內米。
全文摘要
集成納腔電流放大器屬于新結構的電流放大器，包括電流放大電極、信號電極、總電流電極、n型摻雜波導、p型摻雜波導、電致發光材料和襯底，在襯底上集成有電致發光材料和p型摻雜波導，在p型摻雜波導結構上集成有n型摻雜波導，n型摻雜波導、p型摻雜波導、電致發光材料的頂面在同一平面上，并且粗糙度小于2納米，在n型摻雜波導頂部集成有電流放大電極，p型摻雜波導頂部集成有信號電極，電致發光材料頂部集成有總電流電極。本發明的電流放大器具有尺寸小、反應速度快、高頻特性好于目前商用的三極管器件，并且除了提供三極管類似的電流放大效果之外，還可以用作納米微腔發光器件，其應用廣泛，并不限于本身三極管的工作范圍。
文檔編號H03F3/21GK102347736SQ20111012979
公開日2012年2月8日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者劉云, 寧永強, 王立軍, 秦莉, 陳泳屹 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所