CN106653838A - 一种太赫兹光源器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
太赫兹波(Terahertz Wave)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(Terahertz Radiation)。能够产生太赫兹辐射的器件或装置称为太赫兹光源(Terahertz Source)或者太赫兹发射器(Terahertz Emitter)。
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(Plasma Wave)的方案等。其中，基于等离子体波(Plasma Wave)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。
发明内容
本发明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。
为实现前述发明目的，本发明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，本发明的优点包括：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是本发明实施例1中于衬底上生长形成成核层与缓冲层的示意图；
图3是本发明实施例1中生长形成GaN沟道层的示意图；
图4是本发明实施例1中生长形成AlN插入层的示意图；
图5是本发明实施例1中生长形成高质量AlGaN势垒层的示意图；
图6是本发明实施例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是本发明实施例1中V型坑Via结构的立体示意图；
图8是本发明实施例1中沉积金属栅极Ni/Au的示意图；
图9是本发明实施例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是本发明实施例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，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。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。
本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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。
本发明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。
在本发明的一些实施例中，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(102～1010/cm2)及分布。因此，通过调控材料外延生长工艺及条件，如生长温度、反应室压强、V/III比、生长速率、气氛等，可对材料中的穿透位错密度进行有效调控，从而调控、优化V型坑Via结构的空间分布密度，并且还可通过势垒层厚度、生长工艺等条件对V型坑Via结构的尺寸(直径1～50nm)、几何表面积等参量进行优化，从而在保证高质量二维电子气的前提下，优化纵向栅极电子注入物理过程。
本发明在太赫兹光源器件制作工艺中，通过在外延生长时于势垒层中故意引入基于V型坑的Via结构，可以有效解决现有技术中栅极注入电流激发中存在的问题，大幅提高太赫兹辐射功率和辐射效率。具体的讲，本发明基于电子隧穿几率与隧穿势垒厚度呈指数变化关系P∞exp(-d)的原理，通过局域式地改变势垒厚度，即，在势垒层中故意引入基于V型坑的Via结构，从而极大影响电子的隧穿过程，同时可以维持较厚的势垒层以保证较高的二维电子气(2DEG)浓度，得以实现太赫兹辐射功率与效率在数量级上的提升。更为具体的讲，通过本发明的前述特殊结构设计，一方面，在较低栅极偏压的情况下，可以增大电子注入的有效区域面积，从而增加栅极注入电子数目有效提高输入电功率，从而提高器件的绝对发射功率；另一方面，在较高栅极偏压的情况下，可以减小隧穿距离，从而减小电子与势垒层中缺陷态发生相互作用的概率，从而有效提高能量转化效率。
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。
实施例1本实施例提供了一种基于AlGaN/GaN异质结的太赫兹光源器件，其势垒层AlGaN中引入有V型坑Via结构，所述V型坑Via结构主要通过改变外延生长条件而形成的。
在一实施方案中，所述太赫兹光源器件的制备工艺包括如下步骤：
1.Si(111)衬底上完成AlN成核层、GaN缓冲层的生长。如图2所示。
2.生长GaN沟道层。采用MOCVD系统，基于GaN模板，在温度950～1100℃、压力50～266mbar条件下，TMGa流量为10～100sccm，TMAl流量为15～150sccm，NH3流量为6～20slm，可实现GaN沟道层生长速率0.04～0.4nm/s，沟道层厚度为50～500nm。如图3所示。
3.生长AlN插入层。关闭TMGa源，TMAl流量保持15～150sccm，NH3流量保持为6～20slm，厚度为0.5～2nm。如图4所示。
4.生长高质量势垒层，其表面平整度在原子级别，并且含杂质少。打开TMGa源，TMGa流量调至5～80sccm，保持TMAl流量，生长AlGaN高质量势垒层，厚度约0～10nm，Al组分5％～40％。如图5所示。
5.生长分布有V型坑Via结构的AlGaN势垒层。增加TMGa流量至10～150sccm，增加TMAl流量至25～250sccm，保持NH3流量不变，降低温度至600～1000℃，压力提高至133～400mbar。厚度约5～30nm，Al组分为5％～40％。如图6所示。基于V型坑的Via结构如图7所示。
6.生长结束。关闭MO源，保持NH3流量，降温。
7.栅极金属沉积。采用电子束蒸发沉积Ni/Au金属，厚度为50/200nm。如图8所示。
图9示意出了本实施方式中，借助分布在势垒层中的V型坑Via结构以提高电子从金属栅极一侧注入至沟道处二维电子气从而激发二维等离激元的效率。主要体现在两个方面：1)通过V型坑Via结构以减小隧穿距离，从而减小电子与势垒层中缺陷态发生相互作用的概率，有效提高注入至沟道处二维电子气的电子能量，提高能量转化效率；2)通过V型坑Via结构有效增加了电子注入的有效区域面积，从而在较低栅极偏压的情况下增加栅极注入电子数目，有效提高输入电功率。
实施例2本实施例提供了一种基于AlInN/GaN异质结的太赫兹光源器件，其势垒层AlInN中引入有V型坑Via结构，所述V型坑Via结构主要通过改变外延生长条件而形成的。
在一实施方案中，所述太赫兹光源器件的制备工艺包括如下步骤：
1.在Si(111)衬底上完成AlN成核层、GaN缓冲层的生长。如图10中的A所示。
2.生长GaN沟道层。采用MOCVD系统，基于GaN模板，在温度950～1100℃、压力50～266mbar下，TMGa流量为10～100sccm，TMAl流量为15～150sccm，NH3流量为6～20slm，可实现GaN沟道层生长速率0.04～0.4nm/s，沟道层厚度约50～500nm。如图10中的B所示。
3.生长AlN插入层。关闭TMGa源，TMAl流量保持15～150sccm，NH3流量保持为6～20slm，厚度约0.5～2nm。如图10中的C所示。
4.生长高质量势垒层，其表面平整度在原子级别，并且含杂质少。降温至700～850℃，打开TMIn源，TMIn流量调至200～500sccm，NH3流量调至1～5slm，保持TMAl流量不变，生长AlInN高质量势垒层，厚度为2～10nm，Al组分95％～70％。如图10中的D所示。
5.生长分布有V型坑Via结构的AlInN势垒层。增加TMIn流量至210～600sccm，增加TMAl流量至25～250sccm，保持NH3流量不变，降低温度至500～800℃，压力提高至133～400mbar。厚度约5～30nm，Al组分为90％～70％。如图10中的E所示。
6.生长结束。关闭MO源，保持NH3流量，降温。
7.栅极金属沉积。采用电子束蒸发进行Ni/Au金属沉积，厚度约50/200nm。如图10中的F所示。
需要说明的是，如上实施例所采用的各种器件结构、结构材料及工艺条件均是较为典型的范例，但经过本案发明人大量试验验证，于上文所列出的其它不同类型的器件结构、结构材料及其它工艺条件等也均是适用的，并也均可达成本发明所声称的技术效果。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
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中任一项所述的太赫兹光源器件，其特征在于：
所述太赫兹光源器件选自III族氮化物半导体器件；
优选的，所述异质结包括AlGaN/AlN/GaN异质结、AlInN/AlN/GaN异质结、AlInGaN/AlN/GaN异质结中的任意一种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的太赫兹光源器件，其特征在于所述太赫兹光源器件选自基于单栅、双栅或多栅结构的太赫兹光源器件。
优选的，所述太赫兹光源器件为基于耦合金属光栅的太赫兹光源器件。
7.根据权利要求4所述的太赫兹光源器件，其特征在于所述衬底的材质包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓，氮化铝和氧化锌中的任意一种或两种以上的组合。
8.一种太赫兹光源器件的制作方法，其特征在于包括：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。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于所述太赫兹光源器件为权利要求1-7中任一项所述的太赫兹光源器件。
10.根据权利要求8-9中任一项所述的制作方法，其特征在于包括：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；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两种以上操作的组合。
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