一种超快光电导结构和光电导天线器件制造技术

本发明专利技术公开了一种超快光电导结构，包含半导体衬底和超晶格光电导层，其中超晶格光电导层的周期结构包括光吸收层和载流子扩散阻挡层。本发明专利技术还公开了一种光电导天线器件，由超快光电导结构以及天线结构组成。本发明专利技术通过外延方式精确调控光电导结构的组分、结构等，结合材料生长后的退火条件控制，对材料的载流子寿命、暗电阻和迁移率进行调制，在通信波段实现亚皮秒级的快速弛豫，可用于飞秒激光激发的太赫兹源和探测器。太赫兹源和探测器。太赫兹源和探测器。

【技术实现步骤摘要】
一种超快光电导结构和光电导天线器件


[0001]本专利技术属于太赫兹波技术与光通讯领域，具体涉及一种超快光电导结构及其制备方法和光电导天线结构。

技术介绍

[0002]太赫兹间隙通常指频率位于0.1 THz到10 THz之间的电磁波。太赫兹波能量很低，穿透距离长，在通信、光谱学、生物医学、天文学、安保和大气遥感等领域有着广阔的应用前景。太赫兹波段实际应用的关键在于实现太赫兹波的辐射与探测，研究人员针对不同应用场景开展了大量研究，其中，基于光电导天线的太赫兹光源和探测器兼具了室温下工作、响应快速、辐射/探测范围宽、工艺成熟、成本相对较低等优势，成为一类重要的太赫兹器件。
[0003]太赫兹光电导天线采用飞秒激光泵浦到天线间隙的超快光电材料上，超快光电材料内产生光生载流子，光生载流子在外加电压的作用下在天线表面附近形成快速震荡的电流，从而向外辐射太赫兹波，如未加偏压而接电流表使用，则作为太赫兹探测器。在太赫兹光电导天线的制备过程中，超快光电材料的性质对太赫兹辐射和探测的性能有着重要的影响。目前，太赫兹光电导天线所用的超快光电材料中最多被采用的是借助分子束外延设备低温生长的GaAs和InGaAs。但在实际应用中，低温GaAs材料所制备的光电导天线通常需要使用800 nm钛蓝宝石飞秒激光器作为泵浦光源，极大的增加了设备成本和体积。低温生长的InGaAs则可采用1550 nm掺Er光纤飞秒激光器作为泵浦光源，使设备能够降低成本，向集成化与小型化发展。但目前低温生长的InGaAs材料电阻率和迁移率较低，导致相应的光电导器件暗电阻不够高、临界击穿场强低、辐射功率和转换效率受限。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种包含半导体衬底和光电导层的超快光电结构及其制备方法和光电导天线结构。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种超快光电导结构，包含半导体衬底和超晶格光电导层，超晶格光电导层的周期结构包括光吸收层和载流子扩散阻挡层，光吸收层为In
x
Ga1‑
x
As (0≤x≤1)半导体层，载流子扩散阻挡层为掺杂稀土元素的In
y
Al1‑
y
As (0≤y≤1)或AlAs1‑
z
Sb
z (0≤z≤1)半导体层。
[0006]进一步的，载流子扩散阻挡层的掺杂方式为共沉积，掺杂浓度为1x10
15
‑
5x10
21 cm
‑3。
[0007]进一步的，稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y和Sc。
[0008]进一步的，光吸收层为掺杂的In
x
Ga1‑
x
As (0≤x≤1)半导体层，掺杂源为Be、C或稀土元素，掺杂方式包括δ
‑
doping、共掺杂、梯度掺杂和均匀掺杂。
[0009]进一步的，周期结构还包括第一间插层，第一间插层位于载流子扩散阻挡层和光吸收层之间。进一步的，周期结构还包括第二间插层，第二间插层位于载流子扩散阻挡层的
另一边。
[0010]进一步的，第一间插层和/或第二间插层的材料为Be、C或稀土元素。
[0011]进一步的，超晶格光电导层的周期数为50到500。
[0012]本专利技术还提供一种超快光电导结构的制备方法，采用外延方法在半导体衬底上依次生长上述的超晶格光电导层，并对样品实施退火工艺。
[0013]进一步的，退火工艺包含原位退火和快速热退火。退火温度为100到700℃，原位退火过程中使用族氛围保护，快速热退火过程中使用氮气、氢气或惰性气体氛围保护。
[0014]本专利技术还提供了一种光电导天线器件，包含超快光电导结构以及天线结构，天线结构位于超晶格光电导层的上表面。
[0015]进一步的，天线结构的形状包括H型、条型、梯形、蝴蝶型、方形螺旋型、对数螺旋型、自互补螺旋型等，天线结构的间隙为3μm到30μm。
[0016]本专利技术的有益效果：本专利技术采用半导体衬底加周期性的超晶格光电导结构，通过扩散阻挡层与光吸收层的配合满足光电导结构对泵浦光的强吸收需求及对光生载流子的快速捕获需求，实现载流子亚皮秒级的快速弛豫，同时结合掺杂结构及插层结构，对材料的暗电阻和迁移率进行精确调控，能够使该结构工作在高偏置电压下，快速辐射或响应太赫兹信号。当所述超快光电导材料用于超快光电导天线时，可以被多个频段的飞秒激光器激发，同时器件相比于低温生长的InGaAs光电导天线具有更低的暗电流和更高的临界击穿场，以及更高的辐射功率和转换效率。同时，本专利技术采用外延方法制备超快光电导结构，具有较高的晶体质量，同时可精确调整该结构的组分、周期、结构和掺杂方式等，并结合材料生长后的退火条件控制，可对材料的载流子寿命、暗电阻和迁移率等同时进行精确的调制。
附图说明
[0017]图1是本专利技术中超快光电导结构的示意图。
[0018]图2是本专利技术中另一个超快光电导结构的示意图。
[0019]图3是本专利技术实施例1中基于In
x
Ga1‑
x
As/稀土元素掺杂的In
y
Al1‑
y
As超晶格光电导层的超快光电导结构示意图。
[0020]图4是本专利技术实施例1中基于In
x
Ga1‑
x
As/稀土元素掺杂的In
y
Al1‑
y
As超晶格光电导层的超快光电导材料的X射线衍射图。
[0021]图5是本专利技术实施例1中基于In
x
Ga1‑
x
As/稀土元素掺杂的In
y
Al1‑
y
As超晶格光电导层的超快光电导材料在1550nm波段的光生载流子弛豫曲线。
[0022]图6是本专利技术实施例1和2中超快光电导材料表面的天线结构的俯瞰示意图。
[0023]图7是本专利技术实施例1中超快光电导材料表面的偶极天线结构的侧视图。
[0024]图8是本专利技术实施例2中基于In
x
Ga1‑
x
As/稀土元素掺杂的AlAs
z
Sb1‑
z
的超快光电导结构示意图。
[0025]图9是本专利技术实施例2中超快光电导材料表面的垂直结构天线的侧视图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]如图1所示，本专利技术提供了一种超快光电导结构，包含半导体衬底1和置于其上的超晶格光电导层2，该结构可用于光电导天线器件中作为光生载流子产生与传输的载体。其中，超晶格光电导层2的周期结构包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快光电导结构，其特征在于，包含半导体衬底和超晶格光电导层，所述超晶格光电导层的周期结构包括光吸收层和载流子扩散阻挡层，所述光吸收层为In
x
Ga1‑
x
As (0≤x≤1)半导体层，所述载流子扩散阻挡层为掺杂稀土元素的In
y
Al1‑
y
As (0≤y≤1)或AlAs1‑
z
Sb
z (0≤z≤1)半导体层。2.根据权利要求1所述的超快光电导结构，其特征在于，所述载流子扩散阻挡层的掺杂方式为共沉积，掺杂浓度为1x10
15
‑
5x10
21 cm
‑3。3.根据权利要求1所述的超快光电导结构，其特征在于，所述稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y和Sc。4.根据权利要求1所述的超快光电导结构，其特征在于，所述光吸收层为掺杂的In
x
Ga1‑
x
As (0≤x≤1)半导体层，掺杂源为Be、C或稀土元素，掺杂方式包括δ
‑
doping、共掺杂、梯度掺杂和均...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦红，张微微，姚金山，李晨，卢守国，
申请(专利权)人：南京磊帮半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：