半导体纳米空气沟道二极管太赫兹光混频器制造技术

本发明专利技术公开了一种半导体纳米空气沟道二极管光混频器，属于半导体光电探测器与毫米波/太赫兹器件技术领域。该光混频器包括衬底、半导体薄膜、纳米绝缘层、上电极、下电极；为垂直结构或水平结构。采用纳米空气沟道作为光电子高速弹道输运的通道，可实现带宽THz以上的光混频器；而且纳米空气沟道两边阴、阳极间施加几伏小偏压即可在半导体内产生载流子离化倍增，使光电流、响应度及光到太赫兹转换效率成倍增加；半导体纳米空气沟道光混频器融合了真空器件中电子近光速弹道输运和半导体器件高集成度批量化加工的优势，是实现大带宽高效率光混频器的有效方案。率光混频器的有效方案。率光混频器的有效方案。

【技术实现步骤摘要】
半导体纳米空气沟道二极管太赫兹光混频器


[0001]本专利技术属于半导体光电探测器与毫米波/太赫兹器件
，具体涉及半导体纳米空气沟道二极管太赫兹光混频器。

技术介绍

[0002]光混频是光子学方式产生毫米波与太赫兹波的重要技术途径，通过将两束不同频率的激光外差下转换为两者频率之差的连续相干电磁波，可实现频率大范围连续可调谐、线宽窄、相干性高、可室温工作和片上集成的毫米波与太赫兹源，不受非线性介质光学混频中相位匹配和Manley
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Row关系限制。更重要的是，光混频技术可突破传统电子学毫米波器件的调制带宽限制，并实现比电子学信号源更低的相噪和更高的工作频率，从而获得更高的通信速率和雷达分辨率。因此，基于光混频的光电融合毫米波与太赫兹技术被认为是实现6G通信和高分辨毫米波/太赫兹雷达极具前途的方案之一。光混频器是光混频技术中的核心光电转换器件，从工作原理上是一种超高速光电探测器，基于超快的载流子输运过程将两束激光差频的振幅与相位等信号转换为被调制的高频光电流，进而通过负载转换为射频电磁波。除了用来产生毫米波与太赫兹波，光混频器还可用作室温外差相干探测器来对毫米波/太赫兹信号进行下变频接收，在室温下实现对微弱太赫兹信号近量子极限的探测。
[0003]半导体光电导天线(PCA)、PIN光电二极管与单行载流子光电二极管(UTC
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PD)是目前使用最普遍的光混频器。但他们的响应度与光到太赫兹波的转换效率都较低，一般不足百分之一。除了光混频过程损失的直流分量外，主要是由于这类器件中一个光子仅能产生一个电子
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空穴对，加之为了实现大带宽往往会牺牲对入射光的充分吸收或对光生载流子的充分收集。同时，受晶格散射影响，半导体中载流子输运速度有限，限制了带宽和输出功率。因此，传统全固态半导体光混频器面临着带宽、响应度与效率难以同时提升的瓶颈。
[0004]理想的光混频器中载流子应该是以接近光速做弹道运输而不受散射影响。然而，在传统的半导体光混频器中，载流子受固体介质晶格散射影响，近光速的弹道运输是无法实现的，因为用于增加载流子速度的高电场也会增加散射。真空是电子无散射弹道输运的理想介质，其中电子的饱和速度接近光速。和传统半导体固态光电子器件相比，真空光电子器件由于没有晶格碰撞和能量耗散、暗电流低，因此在频率、功率、抗辐照、耐高温、灵敏度等方面具有独特的优势。但传统真空光电子器件利用外光电效应实现光阴极表面电子的场辅助光发射，普遍存在发射电流小、工作电压高、响应度与量子效率低、需要真空工作环境导致体积较大不易小型化集成等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种半导体纳米空气沟道二极管光混频器，旨在提供一种无需真空环境即可工作，同时具备大带宽、高响应度、高输出功率、高转换效率、可在大面积晶圆上批量化制备的新型光混频器。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种半导体纳米空气沟道二极管光混频器，其特征在于：所述光混频器包括衬底、半导体薄膜、纳米绝缘层、上电极、下电极；
[0008]该光混频器为垂直结构或水平结构；
[0009]当光混频器为垂直结构时，所述衬底上方设置半导体薄膜；所述半导体薄膜为具有高度差的阶梯型薄膜，其中高度较低的区域为第一台面，高度较高的区域为第二台面；所述第一台面上方设置有第一电极；所述第二台面上方设置纳米绝缘层；所述纳米绝缘层的上方设置第二电极；所述纳米绝缘层所占区域小于第二台面和第二电极，纳米绝缘层外侧为纳米空气沟道。
[0010]当光混频器为水平结构时，所述衬底上方设置绝缘层；所述绝缘层上方的右侧区域设置右第二电极，左侧区域设置有半导体薄膜，半导体薄膜上方设置有第一电极；所述半导体薄膜和第二电极之间为纳米空气沟道。
[0011]进一步地，所述半导体薄膜的作用是实现对光的吸收并转换为电子、空穴对；当半导体薄膜作为阴极时，采用p型掺杂，第一电极施加负偏压；当半导体薄膜作为阳极时，采用n型掺杂，第一电极施加正偏压。
[0012]进一步地，所述第一电极、第二电极由高导电性材料构成，包括但不限于金属、类金属、透明导电膜、石墨烯。所述第一电极、第二电极也作为毫米波与太赫兹波的辐射天线。
[0013]进一步地，所述的纳米空气沟道长度小于电子在空气中的散射平均自由程(1个标准大气压下散射平均自由程约70nm)；电子可以在纳米空气沟道中做高速弹道输运，无需真空环境。
[0014]进一步地，所述半导体纳米空气沟道二极管采用垂直结构时，第一电极、第二电极上施压的偏压在半导体内产生的电场强度大于其离化阈值电场，半导体内发生光生载流子离化倍增，使光电流、响应度、太赫兹输出功率以及光到太赫兹转换效率成倍增加。
[0015]进一步地，所述半导体纳米空气沟道二极管采用垂直结构时，当半导体上施加的反向偏压大于其强反型偏压，则在半导体表面产生强反型层，形成二维电子气或二维空穴气，二维电子气边缘电子在内部电子的库伦排斥力作用下实现零势垒电子发射。
[0016]本专利技术半导体纳米空气沟道二极管光混频器的基本工作原理与过程为：半导体在两束混频光的激发和外加电场作用下发射出光电子，或在半导体表面产生高浓度空穴诱导纳米空气沟道对面金属发射出光电子，光电子进入纳米空气沟道中做高速弹道输运后被阳极接收从而产生高频光电流，高频光电流经电极传输到偶极子天线或共面波导等负载中辐射出毫米波或太赫兹波。电子在阴阳极间的输运距离(即纳米空气沟道长度)在纳米尺度，其输运时间在飞秒量级，对应带宽和截止频率可高达上百THz；半导体在反向偏压下产生耗尽区，并在表面附近产生反型层二维电子气(2DEG)或空穴气(2DHG)，在光照下，耗尽区中光生载流子在电场作用下漂移到二维电子气或空穴气区提升其浓度；当阴、阳极间外加电压在半导体内产生的电场强度大于其离化阈值电场强度时，半导体内发生载流子离化倍增，使光电流、响应度、太赫兹输出功率以及光到太赫兹转换效率成倍增加。纳米空气沟道光混频器融合了真空器件中电子近光速弹道输运和半导体固态器件高集成度批量化加工的优势，是突破传统半导体光混频器与真空光混频器技术瓶颈、实现大带宽高效率光混频器的有效方案。
[0017]本专利技术的优点如下：
[0018]1、纳米空气沟道中无晶格散射，电子可以做近光速的弹道输运，从而半导体纳米空气沟道光混频器带宽可达到THz以上，具有超大带宽的特点；
[0019]2、纳米空气沟道有着接近真空的超高本征击穿电压和更低的发热，从而半导体纳米空气沟道光混频器具备实现大输出功率的优势；
[0020]2、得益于纳米空气沟道中电子输运过程不受固体晶格散射影响的特点，这种器件还具备抗辐射、耐高低温的优点，可在恶劣环境下工作；
[0021]3、纳米空气沟道两边阴、阳极距离很近，仅需几V的小工作电压即可实现大电场，从而获得高效的电子场发射，极大地降低了传统真空光电子器件对上百V工作电压的要求。同时，2DEG层边缘电子在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体纳米空气沟道二极管光混频器，其特征在于：所述光混频器包括衬底、半导体薄膜、纳米绝缘层、上电极、下电极；该光混频器为垂直结构或水平结构；当光混频器为垂直结构时，所述衬底上方设置半导体薄膜；所述半导体薄膜为具有高度差的阶梯型薄膜，其中高度较低的区域为第一台面，高度较高的区域为第二台面；所述第一台面上方设置有第一电极；所述第二台面上方设置纳米绝缘层；所述纳米绝缘层的上方设置第二电极；所述纳米绝缘层所占区域小于第二台面和第二电极，纳米绝缘层外侧为纳米空气沟道。当光混频器为水平结构时，所述衬底上方设置绝缘层；所述绝缘层上方的右侧区域设置右第二电极，左侧区域设置有半导体薄膜，半导体薄膜上方设置有第一电极；所述半导体薄膜和第二电极之间为纳米空气沟道。2.如权利要求1所述的一种半导体纳米空气沟道二极管光混频器，其特征在于：所述半导体薄膜的作用是实现对光的吸收并转换为电子、空穴对；当半导体薄膜作为阴极时，采用p型掺杂，第一电极施加负偏压；当半导体薄膜作为阳极时，采用n型掺杂，第一电极施加正偏压。3.如权利要求1或2所述的一种半导体纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞良，李沫，张健，姜昊，杨帆，王佳超，马培胜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：