專利名稱：超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲輻射源及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲輻射源的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及超純本征砷化鎵材料的 m-i-n 二極管太赫茲超寬頻輻射源及制作方法。
背景技術(shù)：
太赫茲輻射源——這是太赫茲領(lǐng)域挑戰(zhàn)性科學(xué)問題，有效太赫茲輻射源的缺乏是形成"太赫茲技術(shù)"停滯不前的根本原因，輻射源是太赫茲科學(xué)研究中最基本、最關(guān)鍵和最急迫的問題，受到國際科學(xué)界和工業(yè)界的高度重視。近些年來，太赫茲技術(shù)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方面，有著巨大的市場前景和實際價值，首先在生物活體安全檢測方面，所有的生物分子的振蕩頻率都在太赫茲波段。通過研究生物分子和太赫茲波的共振效應(yīng)，我們能有效的判別生物分子的類型，從而進行生物細胞鑒別；在太赫茲成像方面，隨著我國和世界的交流的加深，機場等地方的安檢正成為日益突出的問題。傳統(tǒng)的利用倫琴(X)射線能對物體進行穿透成像檢測，卻無法對人進行檢測(因X射線會對人體造成傷害)。太赫茲電磁波有著不同于光波的特性(對衣物具有穿透性)，同時對人體基本沒有傷害，所以太赫茲安檢系統(tǒng)必將成為未來機場安檢方面的首選系統(tǒng)。然而，到目前為止，我們還沒有一種有效的太赫茲源，能激發(fā)出太赫茲波段的電磁波。當(dāng)前簡便易行的產(chǎn)生脈沖太赫茲輻射，主要是基于光電導(dǎo)激發(fā)機制，即利用超快脈沖激光觸發(fā)直流偏置下的光電半導(dǎo)體，因光生載流子在偏置電場作用下加速運動而輻射太赫茲電磁波。光電導(dǎo)太赫茲電磁輻射發(fā)射系統(tǒng)的性能與光電導(dǎo)芯片、天線的幾何結(jié)構(gòu)和觸發(fā)激光脈沖寬度有關(guān)。其中，光電導(dǎo)芯片是產(chǎn)生太赫茲電磁波的關(guān)鍵部件，性能良好的光電導(dǎo)芯片應(yīng)該具有載流子壽命短，遷移率高和能夠承受高電壓，大電流的能力。目前市場上，一般的光電導(dǎo)天線所產(chǎn)生的寬頻太赫茲電磁波其頻率一般只能達到2太赫茲，且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝成本昂貴，所激發(fā)的太赫茲電磁場強度、頻率寬度不能調(diào)節(jié)等缺點。所以，研發(fā)一種能夠產(chǎn)生超寬頻太赫茲電磁波的光電導(dǎo)芯片是迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管太赫茲超寬頻輻射源及制作方法，研制了具有條形電極結(jié)構(gòu)的砷化鎵光電導(dǎo)偶極天線，在飛秒超快激光脈沖觸發(fā)下進行了太赫茲電磁波的發(fā)射和測試實驗，得到了頻譜寬度大于4太赫茲、脈沖寬度約1皮秒的太赫茲電磁波。通過增加光電導(dǎo)偶極芯片兩電極之間的外加電壓，可以輕易的改變所輻射太赫茲電磁場的強度。采用多層透明絕緣結(jié)構(gòu)，可以提高它在工作狀態(tài)時的偏置電場強度，從而提高砷化鎵光電導(dǎo)偶極天線輻射太赫茲電磁波的強度。本發(fā)明可以有效克服目前市場上，一般的光電導(dǎo)天線所產(chǎn)生的寬頻太赫茲電磁波其頻率一般只能達到2太赫茲， 且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝成本昂貴，所激發(fā)的太赫茲電磁場強度、頻率寬度不能調(diào)節(jié)等缺點。
一種超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管太赫茲超寬頻輻射源，包括七層，自上而下依次為上電極層、NiCr或半透明導(dǎo)電膜層、超純本征砷化鎵層、參雜硅的η型砷化鎵緩沖層、砷化鎵基底、In或者AuGeM的合金層、下電極層；每層之間緊密相連；上電極層設(shè)置有一個窗口，上電極層、下電極層采用金或者良導(dǎo)體金屬材料，并與外接電源連接，飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光脈沖通過窗口照射到本征砷化鎵層中，同時太赫茲電磁波從本征砷化鎵層中通過窗口輻射出來。所述的參雜硅的η型砷化鎵緩沖層厚度為0. 25微米。所述的超純本征砷化鎵層厚度為1微米。所述的In或者AuGeNi的合金層厚度為70納米。所述的NiCr或半透明導(dǎo)電膜層厚度為7納米。所述的上電極層厚度為100納米。所述的窗口長1毫米，寬1.5毫米。一種超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管太赫茲超寬頻輻射源的制作方法A)以砷化鎵為基底，使用分子束外延MBE生長技術(shù)，向上生長出摻雜硅的η型砷化鎵緩沖層，以此面作為正面，并且在該層上同樣利用MBE技術(shù)生長出未摻雜的超純本征砷化鎵層；B)將In或者AuGeNi合金蒸發(fā)在砷化鎵為基底的基板背面，并做退火，用于形成歐姆接觸，并且在In或者AuGeNi的背面鍍上金或者其他良導(dǎo)體，形成下電極層，用作電極；C)使用半透明的ITO或者NiCr合金蒸發(fā)在超純本征砷化鎵層的表面，形成NiCr 或半透明導(dǎo)電膜層，用于形成肖特基勢壘，激發(fā)電子空穴對；D)使用光刻膠，均勻覆蓋在MCr或半透明導(dǎo)電膜層表面，并使用光刻技術(shù)，使得只有上述窗口部分存在光刻膠，其余部分的光刻膠均給清除掉；Ε)利用鍍膜技術(shù)將Au或者其他良導(dǎo)體置于NiCr或半透明導(dǎo)電膜層表面，形成上電極層；F)用丙酮清洗掉覆蓋在窗口上的光刻膠以及光刻膠上面的Au或者其它良導(dǎo)體層；最終形成一個被Au或者其他良導(dǎo)體包圍著的窗口，用于飛秒激光脈沖順利的照射到本征砷化鎵層中，同時也能讓太赫茲電磁波從本征砷化鎵層中輻射出來。本發(fā)明之所以能產(chǎn)生超寬頻太赫茲是因為首先，太赫茲電場(Ethz)與載流子的加速度呈正比關(guān)系。入射的飛秒激光脈沖的中心能量能保證激發(fā)的電子在砷化鎵導(dǎo)帶中高能谷(Γ谷)的底部(空穴在價帶的頂部)。 當(dāng)電極通電后，這些電子在砷化鎵的Γ谷中被外加電場加速，當(dāng)速度達到一定量后，會被散射到低能谷(L谷)中。由于電子在L谷中的有效質(zhì)量要遠大于其在Γ谷中的有效質(zhì)量， 所以，電子會經(jīng)歷一個很大的負加速度。因為前述“太赫茲電場(Ethz)與載流子的加速度呈正比關(guān)系”，所以，隨著電子被加速以及由于突然的散射而引起的突發(fā)的負加速度，使得超純本征砷化鎵層中可以實現(xiàn)輻射太赫茲電磁波的功能。而電子的加速度又可以通過外加電場控制，所以輻射出的太赫茲強度是可控的。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不但得到了頻譜寬度大于4太赫茲、脈沖寬度約1皮秒的太赫茲電磁波，而且通過增加光電導(dǎo)偶極芯片兩電極之間的外加電壓，可以輕易的改變和調(diào)控所輻射太赫茲電磁場的強度。采用多層透明絕緣結(jié)構(gòu)，可以提高它在工作狀態(tài)時的偏置電場強度，從而提高砷化鎵光電導(dǎo)偶極天線輻射太赫茲電磁波的強度。


圖1為本發(fā)明的輻射源材料結(jié)構(gòu)示意圖。1、飛秒激光器，2、太赫茲輻射電磁波，3、窗口，4、上電極層、5、NiCr或半透明導(dǎo)電膜層、6、超純本征砷化鎵層、7、參雜硅的η型砷化鎵緩沖層、8、基底、9、In或者AuGeM的合金層、10、下電極層。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管太赫茲輻射源，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括飛秒激光器1，用于產(chǎn)生脈沖激光；外接電源，用于提供偏置電場；內(nèi)含超純本征半導(dǎo)體的輻射源材料結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生超寬頻的太赫茲波。以砷化鎵為基底8，使用分子束外延技術(shù)(MBE)生長技術(shù)，向上生長出摻雜硅的η 型砷化鎵緩沖層7 (推薦厚度0. 25微米)，以此面作為正面，并且在摻雜硅的η型砷化鎵緩沖層上同樣利用MBE技術(shù)生長出未摻雜的超純本征砷化鎵層6 (推薦厚度1微米)。將In或者AuGeNi合金蒸發(fā)在砷化鎵為基底的基板背面，形成In或者AuGeNi的合金層9 (推薦厚度70納米)，并做退火，用于形成歐姆接觸。并且在In或者AuGeNi層的背面鍍上金或者其他良導(dǎo)體(推薦厚度70納米)，用作下電極10。使用NiCr合金或半透明的ITO蒸發(fā)在超純本征砷化鎵層6的表面，形成NiCr或半透明導(dǎo)電膜層5 (推薦厚度7納米)，用于形成肖特基勢壘。使用光刻膠，均勻覆蓋在MCr或半透明導(dǎo)電膜層5表面。并使用光刻技術(shù)，使得只有上述窗口 3部分(窗口大小推薦長1毫米，寬1. 5毫米)存在光刻膠，其余部分的光刻膠均給清除掉。利用鍍膜技術(shù)將Au或者其他良導(dǎo)體置于MCr或半透明導(dǎo)電膜層表面，形成上電極層4 (推薦厚度100納米)。通過丙酮等化學(xué)品的清洗，清洗掉覆蓋在窗口上的光刻膠以及光刻膠上面的Au 或者其它良導(dǎo)體層。最終形成一個被Au或者其他良導(dǎo)體包圍著的一個經(jīng)過設(shè)計的窗口，用于飛秒激光脈沖順利的照射到本征砷化鎵層中，同時也能讓太赫茲電磁波2從本征砷化鎵層中輻射出來。上述每一層都是緊密相連。由上述步驟我們便可以得到一個基于超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射源。打開飛秒激光器1，飛秒激光脈沖通過窗口 1射入到NiCr或半透明導(dǎo)電膜層5后， 進入超純本征砷化鎵層6，在超純本征砷化鎵層6中，太赫茲電場(Ethz)與載流子的加速度呈正比關(guān)系。入射的飛秒激光脈沖的中心能量能保證激發(fā)的電子在砷化鎵導(dǎo)帶中具有較高能量的能谷(Γ谷)的底部(空穴在價帶的頂部)。當(dāng)電極通電后，這些電子在砷化鎵的 Γ谷中被外加電場加速，當(dāng)速度達到一定量后，會被散射到具有較低能量的能谷(L谷)中。 由于電子在L谷中的有效質(zhì)量要遠大于其在Γ谷中的有效質(zhì)量，所以，電子會經(jīng)歷一個很大的負加速度。因為前述“太赫茲電場與載流子的加速度呈正比關(guān)系”，所以，隨著電子被加速以及由于突然的散射而引起的突發(fā)的負加速度，使得超純本征砷化鎵層6中可以實現(xiàn)輻射太赫茲電磁波的功能。而電子的加速度又可以通過外加電場控制，所以輻射出的太赫茲電磁波2強度是可控的。它是一個頻譜位于0 4太赫茲區(qū)間的可控太赫茲輻射源，并且太赫茲電磁波的脈沖寬度約1皮秒。
權(quán)利要求
1.一種超純本征砷化鎵材料的m-i-n 二極管太赫茲超寬頻輻射源，包括七層，其特征在于自上而下依次為上電極層、NiCr或半透明導(dǎo)電膜層、超純本征砷化鎵層、參雜硅的η 型砷化鎵緩沖層、砷化鎵基底、In或者AuGeM的合金層、下電極層；每層之間緊密相連；上電極層設(shè)置有一個窗口，上電極層、下電極層采用金或者良導(dǎo)體金屬材料，并與外接電源連接，飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光脈沖通過窗口照射到本征砷化鎵層中，同時太赫茲電磁波從本征砷化鎵層中通過窗口輻射出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的參雜硅的η型砷化鎵緩沖層厚度為0. 25微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的超純本征砷化鎵層厚度為1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的In或者AuGeNi的合金層厚度為70納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的MCr或半透明導(dǎo)電膜層厚度為7納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的上電極層厚度為100納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源， 其特征在于所述的窗口長1毫米，寬1. 5毫米。
8.超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源的制作方法其特征在于A)以砷化鎵為基底，使用分子束外延MBE生長技術(shù)，向上生長出摻雜硅的η型砷化鎵緩沖層，以此面作為正面，并且在該層上同樣利用MBE技術(shù)生長出未摻雜的超純本征砷化鎵層；B)將In或者AuGeNi合金蒸發(fā)在砷化鎵為基底的基板背面，并做退火，用于形成歐姆接觸，并且在In或者AuGeNi的背面鍍上金或者其他良導(dǎo)體，形成下電極層，用作電極；C)使用半透明的ITO或者NiCr合金蒸發(fā)在超純本征砷化鎵層的表面，形成NiCr或半透明導(dǎo)電膜層，用于形成肖特基勢壘，激發(fā)電子空穴對；D)使用光刻膠，均勻覆蓋在MCr或半透明導(dǎo)電膜層表面，并使用光刻技術(shù)，使得只有上述窗口部分存在光刻膠，其余部分的光刻膠均給清除掉；Ε)利用鍍膜技術(shù)將Au或者其他良導(dǎo)體置于NiCr或半透明導(dǎo)電膜層表面，形成上電極層；F)用丙酮清洗掉覆蓋在窗口上的光刻膠以及光刻膠上面的Au或者其它良導(dǎo)體層 ’最終形成一個被Au或者其他良導(dǎo)體包圍著的窗口，用于飛秒激光脈沖順利的照射到本征砷化鎵層中，同時也能讓太赫茲電磁波從本征砷化鎵層中輻射出來。
全文摘要
一種超純本征砷化鎵材料的m-i-n二極管太赫茲超寬頻輻射源，包括七層，自上而下依次為上電極層、NiCr或半透明導(dǎo)電膜層、超純本征砷化鎵層、參雜硅的n型砷化鎵緩沖層、砷化鎵基底、In或者AuGeNi的合金層、下電極層；每層之間緊密相連；上電極層設(shè)置有一個窗口，上電極層、下電極層采用金或者良導(dǎo)體金屬材料，并與外接電源連接，飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光脈沖通過窗口照射到本征砷化鎵層中，同時太赫茲電磁波從本征砷化鎵層中通過窗口輻射出來。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不但得到了頻譜寬度大于4太赫茲、脈沖寬度約1皮秒的太赫茲電磁波，而且通過增加光電導(dǎo)偶極芯片兩電極之間的外加電壓，可以調(diào)控所輻射太赫茲電磁場的強度。
文檔編號H01S1/02GK102496835SQ20111042838
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者倪爭技, 莊松林, 彭滟, 朱亦鳴, 李州, 杜少卿, 袁明輝, 陳麟 申請人:上海理工大學(xué)