基于具有微纳结构的本征半导体层的太赫兹源及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体微纳结构制备和太赫兹源设计与制备技术领域，具体涉及到GaAs微纳结构的制备，及肖特基二极管太赫兹源的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，太赫兹波及其应用的研究正成为国内外光学、电子学等领域的研究热点。太赫兹电磁波频率大致从100 GHz到10 THz之间，介于微波和远红外波段之间。太赫兹波在许多领域，如生物活体安全检测、生物细胞类型识别、太赫兹成像、新型太赫兹电磁波雷达等，有着巨大的科学价值，对国民经济的发展和国家安全将起到重要作用。长期以来，缺乏有效的太赫兹源和探测器成为阻碍这一技术发展的最大瓶颈。研发一种新型、高效、低价、便于携带的太赫兹源，是当前迫切需要解决的关键科技问题之一。
[0003]以基于低温生长砷化镓材料的光电导天线为代表的太赫兹源，由于其价格便宜、工艺简单等优势，给太赫兹源的研发带来了前所未有的光明前景，其工作频率一般最高在2.5 THz (脉冲半高宽度FWHM可以达到1.4 THz)左右。但是这种器件由于低温生长产生的材料缺陷数量是有限的，所以空穴和电子的复合所产生的太赫兹波的强度较低；其次，一般低温生长的砷化镓材料是选用半绝缘(SI)型衬底，由于缺陷存在，不能耐受高电场(高电场会产生很大的电流，烧毁芯片)；因此，载流子在电场中产生的加速度较小，从而太赫兹辐射的频带也较窄。以上两点造成了目前传统的太赫兹光电导天线的能量转换效率很低，并且频谱较窄。
[0004]目前有关太赫兹宽频源器件的发明专利主要集中在太赫兹天线结构设计，对以上问题改善非常有限，如一种复合式光电导天线及太赫兹波辐射源(申请号201210229910.8)、一种太赫兹辐射极大增强的光电导天线(申请号201310104544.8)及一种太赫兹光电导天线结构(申请号201220718762.1)等。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种新型的基于肖特基二极管结构的太赫兹源器件，器件的核心部分是中间的本征砷化镓层，而且本征层上设计了微纳结构。这层结构不仅能够提高栗浦光的吸收，而且作为缺陷中心能够增加光生电子一空穴对的复合，从而增加太赫兹辐射强度。
[0006]为达到上述目的，本发明提供了一种太赫兹辐射源，是基于肖特基二极管结构的器件，该器件包括由上至下依次设置的:
带有一个毫米级大小的窗口的第一金属电极；
透明或半透明且能形成肖特基势皇打的肖特基接触层；
具有微纳结构的本征半导体层；
缓冲层；
衬底、 能够形成欧姆接触的欧姆接触层，及，
第二金属电极；
所述的本征半导体层为II1-V族高电子迀移率的化合物半导体层；所述的衬底为N型或P型重掺杂的高电子迀移率的半导体层。
[0007]上述的太赫兹辐射源，其中，所述的第一金属电极为Au膜或其它金属或者合金电极，厚度为几十纳米到几百纳米(即10^102纳米量级);所述的第二金属电极为Au膜或其它金属或者合金电极，厚度为几十纳米到几百纳米(即10^102纳米量级)。
[0008]上述的太赫兹辐射源，其中，所述的肖特基接触层为NiCr膜，厚度为几纳米到几十纳米(S卩lO^lO1纳米量级)，这是为了兼顾透明导电性和在微结构上的导通性。
[0009]上述的太赫兹福射源，其中，所述的本征半导体层为本征GaAs或或InP半导体层。
[0010]上述的太赫兹辐射源，其中，所述本征半导体层的厚度为几百纳米到几微米(SP102~103纳米量级)；所述微纳结构厚度为几百纳米到几微米(即102~103纳米量级)。
[0011]上述的太赫兹辐射源，其中，所述的缓冲层为N型掺硅GaAs缓冲层。
[0012]上述的太赫兹辐射源，其中，所述的衬底为N型GaAs衬底。
[0013]上述的太赫兹福射源，其中，所述的欧姆接触层选择AuGeNi合金膜或In膜，厚度选择为几十到几百纳米(即10^102纳米量级)。
[0014]上述的太赫兹辐射源，其中，所述的肖特基二极管结构可以是金属-本征半导体-η型半导体(m-1-n)型肖特基二极管，还可以是金属-本征半导体-ρ型半导体(m_1-p)型、η型半导体-本征半导体-Ρ型半导体(n-1-p)型或者ρ型半导体-本征半导体_n型半导体(p-1-n)型等能够形成肖特基二极管的结构，其中i代表本征半导体，并且在本征半导体层上制备一层微纳结构。这层结构不仅能够对栗浦激光有较高的吸收率，而且能够促进光生电子一空穴对的复合，从而增强太赫兹辐射。
[0015]本发明还提供了一种上述的太赫兹辐射源结构的制备方法，该方法包括:
步骤1，预处理衬底；
步骤2，生长缓冲层；
步骤3，生长本征半导体层；
步骤4，在本征半导体层上制备微纳结构；
步骤5，在衬底的背面形成欧姆接触:依次制备欧姆接触层、第二金属电极；然后，在微纳结构的表面制作肖特基接触:镀肖特基接触层，然后形成具有毫米级大小窗口的第一金属电极。
[0016]进一步地，在步骤4中，制备微纳结构的方法可以是超快激光加工，也可以是化学腐蚀(湿法或干法)手段，还可以是光刻技术；其中超快激光加工包括不同波长、不同脉宽、不同能量等各种强激光手段的有效组合。
[0017]本发明利用分子束外延技术(MBE)或者金属氧化物化学气相沉积(M0CVD)等，在η型(或ρ型)重掺杂(掺杂Si )的砷化镓(或者其它高电子迀移率的半导体体系)上，沿(001)方向生长未掺杂的本征砷化镓层。在正式生长之前，先经过真空腔高温烘烤，去除氧化层；之后生长一层几十到几百纳米掺硅的缓冲层，用于阻挡衬底中杂质的扩散；最后再生长所需的本征层材料，厚度为几百纳米到几个微米。然后，在本征砷化镓层上制备微纳结构层。制备方法可以选择激光加工、光刻或刻蚀(包括干法和湿法)。以激光加工为例，首先确定入射功率参数，如激光功率大小、脉冲数多少，可以形成对产生太赫兹的入射激光有较高吸收率的结构；其次，搭建制备微纳结构的激光光路；然后，将砷化镓衬底装入抽真空的腔体里，并将真空腔置于一个水平--垂直二维平移台上，平移台垂直于激光入射方向；最后，开启激光，用LabView程序控制步进电机，在本征砷化镓上烧蚀一层微纳结构。本发明研发的器件对栗浦飞秒激光吸收效率可以达到90%。最后，利用现代微电子机械系统(MEMS)工艺，把微纳结构砷化镓样品加工成器件。首先，在砷化镓衬底背面，用热蒸发、电子枪等方式蒸镀一层金锗镍(AuGeNi)合金或铟(In)及其它一切可以形成欧姆接触的金属或合金，然后在快速退火炉里进行退火处理，形成欧姆接触，之后再用热蒸发、磁控溅射或电子枪等手段镀一层Au或其它金属作为保护层。其次，在带有微纳结构的本征层表面，用热蒸发或电子枪等手段蒸镀一层透明导电膜，如镍铬(NiCr)合金，使之与本征层之间形成肖特基势皇。之后，利用光刻手段，在微纳结构表面形成一个毫米级的窗口。最后，在肖特基接触层与欧姆接触层上蒸镀一层金属电极(Au膜或者其它导电电极)作为电极。这样，电场就可以加在超纯本征砷化镓层上。
[0018]本发明利用微纳结构层，实现了对入射栗浦飞秒激光高达90%的吸收；并且，它能够促进光生电子一空穴对的复合，提高太赫兹辐射效率和辐射强度。本发明器件结构简单，技术成熟，能够使太赫兹辐射在0.5~3.0 THz范围内辐射强度提高近10 dB。它能够为太赫兹时域光谱技术在爆炸物、毒品及细菌病毒检测、生物活体成像及分析等应用领域提供廉价、高效、可室温工作的太赫兹辐射源。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的一个新型太赫兹源的结构示意图。
[0020]图2为本发明在本征砷化镓上制备的微纳结构的扫描电镜图(SBO。
[0021]图3a、3b为在相同的光电流和电场强度条件下，本发明的微纳结构对本征砷化镓太赫兹源的辐射特性的影响:图3a代表时域图，图3b代表频域图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图详细说明本发明的技术方案。
[0023]如图1所示，为本发明的一种典型的太赫兹辐射源，其是基于肖特基二极管结构的器件，该器件包括由上至下依次设置的:
带有一个毫米级大小的窗口的第一金属电极1 ;
透明或半透明且能形成肖特基