一种太赫兹光源器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹光源器件及其制作方法。所述器件包括主要由第一、第二半导体组成的异质结以及与所述异质结连接的电极，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，并且所述异质结内分布有二维电子气；所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构，所述基于V型坑的Via结构与分布于所述异质结中的相应穿透位错相连接。本发明专利技术通过在太赫兹光源器件的外延生长过程中故意引入基于V型坑的Via结构，极为有利于纵向栅极注入电流激发技术方案的实现，可以避免背景黑体辐射带来的噪音问题，同时还能大幅提高能量转化效率和输入电功率，以及大幅提高太赫兹辐射功率和辐射效率。

Terahertz light source device and manufacturing method thereof

The invention discloses a terahertz light source device and a manufacturing method thereof. The device includes a heterojunction composed mainly of the first and second semiconductor components and the heterojunction electrode connected to the second semiconductor is formed on the first surface of the semiconductor, and has wide bandgap than the first semiconductor heterojunction, and the distribution of two-dimensional electron gas; the second semiconductor surface distribution the complex structure of V Via type pit based on the Via structure of V type pit and distribution to the heterojunction in the corresponding threading dislocation based on connected. The present invention by epitaxial growth on the terahertz light source device in the process of intentionally introduced Via structure of V type pit based on, which is good for the realization of vertical grid injection current excitation technique, can avoid the noise problem caused by background radiation, but also greatly improve the energy conversion efficiency and input power, and a substantial increase in terahertz radiation power and radiation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹光源器件及其制作方法
本专利技术涉及一种太赫兹器件，特别涉及一种太赫兹光源器件及其制作方法。
技术介绍
太赫兹波(TerahertzWave)是指频率为0.1-10THz(1THz＝1000GHz＝1012Hz)、波长为30微米～3毫米的电磁波。太赫兹波的辐射也称为太赫兹辐射(TerahertzRadiation)。能够产生太赫兹辐射的器件或装置称为太赫兹光源(TerahertzSource)或者太赫兹发射器(TerahertzEmitter)。目前，产生太赫兹辐射的方案主要有电子学方案、光子学技术方案、电子学技术与光子学技术相结合的方案，以及基于等离子体波(PlasmaWave)的方案等。其中，基于等离子体波(PlasmaWave)的方案是通过激发固体材料中的电子气而产生等离子体波或等离激元(Plasmon)，进而与金属栅极形成偶极子振荡并产生太赫兹辐射。该方案的器件工作原理相对简单，并且具有室温工作、体积小型化、使用方便、易于集成等独特优势。进一步的，在基于二维等离激元的太赫兹光源器件中，如何高效激发二维电子气从而诱导产生二维等离激元一直是研究热点。例如，请参阅图1，针对基于AlGaN/GaN异质结的二维电子气，人们针对纵向(沿材料生长方向)电流激发技术进行了研究，试图通过从金属栅极隧穿经势垒层至异质结二维电子气沟道层的电子的能量弛豫激发二维等离激元，从而激发产生太赫兹辐射。这种激发技术的难点在于隧穿电流无法真正实现二维等离激元的高效激发，原因在于：一方面，在较低栅极偏压时，注入电子数目本身就少，输入电功率小，因此产生的太赫兹辐射功率很弱；另一方面，在较高栅极偏压时，势垒层中电场增强，电子不可避免地将与晶格中的缺陷态发生较强的相互作用而形成缺陷态辅助作用下的电子隧穿过程，导致注入电子能量受到损耗，极大降低了能量转化效率。相关实验研究表明，采用纵向栅极注入电流激发技术的太赫兹光源器件，其绝对辐射功率在纳瓦量级，辐射效率在10-1(低栅极偏压)～10-6(高栅极偏压)，难以满足应用需求。另一方面，为提高隧穿电流、减少隧穿电子的能量损耗，减薄势垒层厚度的技术方案亦被提出，然而减薄势垒层厚度会使异质结中的二维电子气浓度大幅度降低，从而直接影响太赫兹辐射功率及频率的可调范围。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种太赫兹光源器件及其制作方法，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例中提供了一种太赫兹光源器件，包括主要由第一半导体和第二半导体组成的异质结以及与所述异质结连接的电极，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，并且所述异质结内分布有二维电子气；其中，所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构。在一些实施例中还提供了一种制作太赫兹光源器件的方法，其包括：在衬底上依次生长成核层、缓冲层、第一半导体和第二半导体而形成外延结构层，所述第一半导体与第二半导体配合形成包含二维电子气的异质结，所述第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，并且所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构，同时所述外延结构层内还包含有自成核层连续延续至相应基于V型坑的Via结构的穿透位错。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：通过在材料外延生长层面故意引入基于V型坑的Via结构，极为有利于纵向栅极注入电流激发技术方案的实现，可以更好避免背景黑体辐射带来的噪音问题，同时还能大幅提高能量转化效率和输入电功率，实现太赫兹辐射功率和辐射效率在数量级上的提升。附图说明图1是基于二维等离激元的太赫兹光源器件的工作原理图；图2是本专利技术实施例1中于衬底上生长形成成核层与缓冲层的示意图；图3是本专利技术实施例1中生长形成GaN沟道层的示意图；图4是本专利技术实施例1中生长形成AlN插入层的示意图；图5是本专利技术实施例1中生长形成高质量AlGaN势垒层的示意图；图6是本专利技术实施例1中生长形成含有V型坑Via结构的AlGaN势垒层的示意图；图7是本专利技术实施例1中V型坑Via结构的立体示意图；图8是本专利技术实施例1中沉积金属栅极Ni/Au的示意图；图9是本专利技术实施例1中利用AlGaN势垒层中V型坑Via结构提高电子注入效率的示意图；图10是本专利技术实施例2中太赫兹光源器件制备工艺流程图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术的一个方面提供了一种太赫兹光源器件，包括主要由第一半导体和第二半导体组成的异质结以及与所述异质结连接的电极，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，并且所述异质结内分布有二维电子气；其中，所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构。在一些实施例中，所述第二半导体包括第一势垒层和形成于第一势垒层表面的第二势垒层，所述第二势垒层表面分布有所述基于V型坑的Via结构。在一些较佳实施例中，所述基于V型坑的Via结构具有V型截面。进一步的，所述异质结内还分布有与所述基于V型坑的Via结构对应的穿透位错。在一些实施例中，所述的太赫兹光源器件包括形成于衬底上的外延结构层，所述外延结构层包括沿设定方向依次设置的成核层、缓冲层和异质结，所述外延结构层内还分布有与所述基于V型坑的Via结构对应的穿透位错，所述穿透位错自成核层连续延续至所述基于V型坑的Via结构。其中，所述电极优选采用金属材料制成，但也可以选自其它非金属导电材料。进一步的，在第一半导体和第二半导体之间还可设置插入层，其材质可以是AlN等。进一步的，本专利技术的太赫兹光源器件的有源区结构不仅仅局限于AlGaN/AlN/GaN异质结，也可以适用于具有其他有源区结构的太赫兹光源器件，如基于近晶格匹配的AlInGaN/AlN/GaN异质结等。进一步的，本专利技术的太赫兹光源器件的结构不仅仅局限于基于耦合金属光栅的器件，也可以适用于基于单栅、双栅以及多栅结构的太赫兹光源器件。进一步的，本专利技术的太赫兹光源器件的外延材料不仅仅局限于III族氮化物半导体，也可以适用于其他材料体系，如III族砷化物半导体材料体系等。进一步的，本专利技术的太赫兹光源的衬底不仅仅局限于硅衬底，也可以适用于基于其他衬底的太赫兹光源器件，如基于蓝宝石、碳化硅、氮化镓衬底的太赫兹光源器件。本专利技术的一个方面提供了一种制作太赫兹光源器件的方法，其包括：在衬底上依次生长成核层、缓冲层、第一半导体和第二半导体而形成外延结构层，所述第一半导体与第二半导体配合形成包含二维电子气的异质结，所述第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，并且所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构，同时所述外延结构层内还包含有自成核层连续延续至相应基于V型坑的Via结构的穿透位错。进一步的，所述的制作方法包括：通过调整外延生长条件而在第二半导体中故意引入基于V型坑的Via结构；其中，所述调整外延生长条件的操作包括；降低V/III比，降低生长温度，提高生长压力中的任意一种或多种操作的组合。在本专利技术的一些实施例中，利用业界所知的合适工艺条件下实现的每一个V型坑Via结构的中心都有一根穿透位错，亦即，V型坑的密度和位置分布主要决定于穿透位错的密度(102本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹光源器件，包括主要由第一半导体和第二半导体组成的异质结以及与所述异质结连接的电极，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，并且所述异质结内分布有二维电子气；其特征在于所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构，并且所述基于V型坑的Via结构还与分布于所述异质结中的相应穿透位错相连接。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹光源器件，包括主要由第一半导体和第二半导体组成的异质结以及与所述异质结连接的电极，所述第二半导体形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，并且所述异质结内分布有二维电子气；其特征在于所述第二半导体表面还分布有复数基于V型坑的Via结构，并且所述基于V型坑的Via结构还与分布于所述异质结中的相应穿透位错相连接。2.根据权利要求1所述的太赫兹光源器件，其特征在于：所述第二半导体包括第一势垒层和形成于第一势垒层表面的第二势垒层，第一势垒层的表面平整，所述第二势垒层表面分布有所述基于V型坑的Via结构；和/或，优选的，每一基于V型坑的Via结构的中心均与一穿透位错相连接；优选的，所述第二半导体包括下列的任一材料层组合：AlGaN/AlGaN、AlInN/AlInN、AlInGaN/AlInGaN、AlInN/AlGaN，AlGaN/AlInN和AlInN/AlInGaN；进一步优选的，所述第二势垒层表面还设置有盖层。3.根据权利要求1所述的太赫兹光源器件，其特征在于所述基于V型坑的Via结构的分布密度和分布位置取决于所述穿透位错的分布密度和分布位置。4.根据权利要求1所述的太赫兹光源器件，其特征在于包括形成于衬底上的外延结构层，所述外延结构层包括沿设定方向依次设置的成核层、缓冲层和异质结，所述外延结构层内还分布有与所述基于V型坑的Via结构对应的穿透位错，所述穿透位错自成核层连续延续至所述基于V型坑的Via结构。5.根据权利要求1-4...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，周宇，冯美鑫，高宏伟，秦华，孙建东，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32