專利名稱：具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超高速電子學(xué)領(lǐng)域、超快光學(xué)領(lǐng)域及太赫茲科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及一種具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線。
背景技術(shù)：
太赫茲波通常指的是頻率在0.1THz IOTHz (波長在3mm 30um)范圍內(nèi)的電磁輻射。與其他波段相比，太赫茲電磁波具有其獨特的性能，如瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和低能性等，在物體成像、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測、射電天文、寬帶移動通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景。光電導(dǎo)天線的輻射機制是激光脈沖激發(fā)的光生載流子在外加偏置電場和內(nèi)建電場的作用下加速運動，從而在光電導(dǎo)材料的表面產(chǎn)生瞬變光電流，從而向外福射太赫茲脈沖。然而傳統(tǒng)的光電導(dǎo)天線均采用肖特基接觸電極，導(dǎo)致電場不均勻地分布在電極間隙間，因此太赫茲輻射強度與激光照射位置和激光光束的尺寸有關(guān)。在相同偏置電壓下，當(dāng)采用聚焦半徑較小的激光束照射電場分布較強的陽極附近區(qū)域時，太赫茲波的幅值將成倍增加；但是，隨著激光束直徑的減小電場屏蔽效應(yīng)增強，導(dǎo)致天線的發(fā)射效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，解決現(xiàn)有光電導(dǎo)天線發(fā)射效率低的問題。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，包括半絕緣砷化鎵基片，半絕緣砷化鎵基片上為正、負兩個AuGeNi合金電極，半絕緣砷化鎵基片可視為阻值較大的電 阻Rcafc，兩個AuGeNi合金電極與基片材料的接觸電阻可視為兩個阻值較小的電阻Ra ，電阻ReaAs與兩個電阻Ram串聯(lián)<< ReaAs，電阻ReaAs的阻值為從幾兆歐到幾百兆歐，Rohlll的阻值小于I歐姆。本發(fā)明的特點還在于:分別考慮了不同規(guī)格的具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，正、負電極之間的間隙范圍為50 μ m-200 μ m。半絕緣砷化鎵基片是利用液拉直封法制備的(100)晶向的S1-GaAs，其電阻率高于107Ω.cm ；AuGeNi合金電極是通過電子束蒸發(fā)或磁控濺射在半絕緣砷化鎵基片上分別沉積 20-1OOnm 的 Ni，50_500nm 的 Au，20-1OOnm 的 Ge 和 50-1OOnm 的 Au，再在 300°C -400°C的溫度范圍內(nèi)快速退火1-2分鐘使其合金化。本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，通過天線電極的歐姆接觸，增加了光電導(dǎo)天線的擊穿電場，同時使天線中的電場分布基本或全部覆蓋了整個電極間隙，隨著單位面積的光生載流子密度的減小，庫倫屏蔽效應(yīng)和輻射場屏蔽效應(yīng)得到了有效的控制，提高了天線的發(fā)射效率。相較于傳統(tǒng)的光電導(dǎo)天線，本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的光電導(dǎo)天線的輻射效率和輻射功率得到了顯著的提聞ο


圖1為本發(fā)明具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線的等效電路示意圖；圖3為傳統(tǒng)的具有肖特基接觸電極的GaAs光電導(dǎo)天線的等效電路示意圖；圖4為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的GaAs光電導(dǎo)天線和傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的GaAs光電導(dǎo)天線的伏安特性曲線對比圖；圖5為傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的電極間隙為200 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖6為傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的電極間隙為100 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖7為傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的電極間隙為50 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖8為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為200 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖9為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為100 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖10為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為50 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線；圖11為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為200 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線在正弦交流偏置電壓下輻射太赫茲波的振幅隨光斑位置的變化曲線；圖12為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為ΙΟΟμπι的GaAs光電導(dǎo)天線在正弦交流偏置電壓下輻射太赫茲波的振幅隨光斑位置的變化曲線；圖13為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的電極間隙為50 μ m的GaAs光電導(dǎo)天線電極在正弦交流偏置電壓下輻射太赫茲波的振幅隨光斑位置的變化曲線；圖14為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的GaAs光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波的時域波形(實線)和傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的GaAs光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波的時域波形(虛線)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。參見圖1，本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，包括半絕緣砷化鎵基片，半絕緣砷化鎵基片上為正、負兩個AuGeNi合金電極，半絕緣砷化鎵基片可視為阻值較大的電阻Rcafc，兩個AuGeNi合金電極與基片材料的接觸電阻可視為兩個阻值較小的電阻IW電阻ReaAs與兩個電阻Ram串聯(lián)，Rohlll << ReaAs。電阻ReaAs的阻值為從幾兆歐到幾百兆歐，而Rtfcll的阻值小于I歐姆。由于Rta << RGaA, ^-可忽略。光電導(dǎo)天線的基片材料是利用液拉直封法制備的(100)晶向的S1-GaAs，其電阻率高于107Ω -Cm0在基片上使用 光刻技術(shù)制備電極圖案；然后通過電子束蒸發(fā)或磁控濺射在基片上分別沉積 20-100nm 的 Ni，50_500nm 的 Au, 20_100nm 的 Ge 和 50_100nm 的 Au ;最后在300°C _400°C的溫度范圍內(nèi)快速退火1-2分鐘使其合金化，即可制備得到具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣砷化鎵光電導(dǎo)天線。圖2為本發(fā)明具有歐姆接觸電極的光電導(dǎo)天線的等效電路示意圖。圖中ReaAs為S1-GaAs基片的等效電阻，Rohm為AuGeNi電極等效電阻，由于電阻ReaAs與兩個電阻Rfflim串聯(lián)，且，偏置電壓幾乎全部加在電極間隙上，因此相較于傳統(tǒng)光電導(dǎo)天線，本發(fā)明的電場強度得到大幅度提高。圖3為傳統(tǒng)的具有肖特基接觸電極的光電導(dǎo)天線的等效電路示意圖。圖中Rgsas為S1-GaAs基片等效電阻，SD表不Ti/Au電極與基片的接觸看做肖特基_■極管，由于肖特基_■極管的反向擊穿電壓高達幾十伏，未被擊穿之前，肖特基結(jié)上也分得了很高的電壓，因此電極間隙獲得的分壓較小，電場強度較小。附圖4為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線和傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線的伏安特性曲線對比圖。用Agilent4155C半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試天線的伏安特性，具有AuGeNi合金電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線呈現(xiàn)良好的線性(線I) JlWAuGeNi合金電極與基體材料形成了良好的歐姆接觸；而具有Ti/Au電極的半絕緣砷化鎵天線的伏安曲線中在-0.8V -1.3V和0.8V 1.3V間，電流因為正向偏置的肖特基二極管擊穿而發(fā)生突變，另外一個電流突變是由于在-57V處反向偏置的肖特基二極管擊穿而引起(虛線)，說明Ti/Au電極與基體材料形成肖特基接觸。肖特基節(jié)在擊穿之前要分得較高的電壓，這樣基體材料上分得的電壓降低，從而導(dǎo)致天線輻射THz波的功率降低。AuGeNi歐姆接觸的電阻小，同樣的偏置電壓下，基體材料上分得的電壓高，天線輻射THz波的功率高。圖5-圖13為天線輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線，由于天線輻射太赫茲波的幅值與天線中的電場成正比，也即反應(yīng)了天線中電場的分布。其中，左電極(陽極)的右邊緣處位置為O處。圖5、圖6、圖7是傳統(tǒng)的具有`Ti/Au電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線，也是偏置電場的分布曲線。由圖知，電場不均勻地分布在兩電極之間，主要電場分布在陽極附近的狹小區(qū)域。圖8、圖9、圖10是本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線在直流偏置電壓下輻射太赫茲波的幅值隨光斑位置的變化曲線，也是偏置電場的分布曲線。由圖知，雖然陽極附近電場略有增強，但由于電極與基片材料形成歐姆接觸，天線中電場的分布更加均勻。圖11、圖12、圖13是本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線在正弦交流偏置電壓下輻射太赫茲波的振幅隨光斑位置的變化曲線，也是該偏置電壓下偏置電場的分布曲線。相較于直流偏置電壓的電場分布圖，正弦交流偏置電壓的電場分布更均勻。圖14為本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線和傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線輻射的太赫茲波的時域波形。兩天線具有相同的電極結(jié)構(gòu)，電極間隙均為200 μ m，在偏置電壓均為120V直流電壓，用直徑為200 μ m的聚焦激光束照射具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，用直徑為20 μ m聚焦激光束照射具有Ti/Au電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，兩束激光的功率相同。測試結(jié)果見圖14，從其太赫茲波幅值對比可知本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲幅值是傳統(tǒng)的具有Ti/Au電極半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲幅值的3.5倍，表明歐姆接觸電極可以顯著提高光電導(dǎo)天線的輻射效率。原因是在Ti/Au電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線中為了獲得較高的電場強度，需要將激光聚焦成直徑為20 μ m的光斑，照射到陽極附近的狹小區(qū)域，然而隨著激光束尺寸縮小導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)增強。本發(fā)明中具有AuGeNi合金歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線的電場較均勻地分布在整個電極間隙，采用光斑直徑為200 μ m的較大的光斑覆蓋電極照射，隨著單位面積載流子濃度的減小，屏蔽效應(yīng)減小，獲得了較高的發(fā)射效率。本發(fā)明具有歐姆接觸電極的光電導(dǎo)天線，提高了電極間隙的電場強度、改善了電場分布以及減小了屏蔽效·應(yīng)，從而提高了光電導(dǎo)天線的輻射效率和輻射功率。
權(quán)利要求
1.具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，其特征在于:包括半絕緣砷化鎵基片，半絕緣砷化鎵基片上為正、負兩個AuGeNi合金電極，半絕緣砷化鎵基片可視為阻值較大的電阻RcaAs，兩個AuGeNi合金電極可視為兩個阻值較小的電阻Rfflim,電阻ReaAs與兩個電阻Rotal串聯(lián)，Rohm << ReaAs，電阻ReaAs的阻值為從幾兆歐到幾百兆歐，Rohm的阻值小于I歐姆。
2.如權(quán)利要求1所述的具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，其特征在于:所述正、負兩個AuGeNi合金電極之間的間隙為5 μ m_200 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，其特征在于:所述半絕緣砷化鎵基片是利用液拉直封法制備的(100)晶向的S1-GaAs，其電阻率高于IO7Ω -cm ;AuGeNi合金電極是通過電子束蒸發(fā)或磁控濺射在半絕緣砷化鎵基片上分別沉積20-1OOnm 的 Ni，50_500nm 的 Au, 20-1OOnm 的 Ge 和 50-1OOnm 的 Au,再在 300°C -400°C 的溫度范圍內(nèi) 快速退火使其合金化。
全文摘要
具有歐姆接觸電極的半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線，包括半絕緣砷化鎵基片，半絕緣砷化鎵基片上為正、負兩個AuGeNi合金電極，半絕緣砷化鎵基片可視為阻值較大的電阻RGaAs，兩個AuGeNi合金電極可視為兩個阻值較小的電阻ROhm，電阻RGaAs與兩個電阻ROhm串聯(lián)，ROhm＜＜RGaAs。本發(fā)明通過天線電極的歐姆接觸，增加了光電導(dǎo)天線的擊穿電場，同時使天線中的電場分布基本或全部覆蓋了整個電極間隙，隨著單位面積的光生載流子密度的減小，庫倫屏蔽效應(yīng)和輻射場屏蔽效應(yīng)得到了有效的控制，提高了天線的發(fā)射效率。相較于傳統(tǒng)的光電導(dǎo)天線，本發(fā)明具有AuGeNi合金歐姆接觸電極光電導(dǎo)天線的輻射效率和輻射功率得到了顯著的提高。
文檔編號H01Q1/22GK103236591SQ20131012379
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者侯磊, 董陳崗, 楊匯鑫, 施衛(wèi), 陳素果, 閆志巾 申請人:西安理工大學(xué), 東莞市五峰科技有限公司