CN109244177A - 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器 - Google Patents

一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器 Download PDF

Info

Publication number
CN109244177A
CN109244177A CN201810944789.4A CN201810944789A CN109244177A CN 109244177 A CN109244177 A CN 109244177A CN 201810944789 A CN201810944789 A CN 201810944789A CN 109244177 A CN109244177 A CN 109244177A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
gallium arsenide
semiconductor light
indium
arsenic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810944789.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109244177B (zh
Inventor
毛陆虹
李佳奇
谢生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201810944789.4A priority Critical patent/CN109244177B/zh
Publication of CN109244177A publication Critical patent/CN109244177A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109244177B publication Critical patent/CN109244177B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，包括有铟砷化镓基底层，铟砷化镓基底层上端面的一端设置有金金属漏极，另一端设置有金金属源极，在金属漏极和金属源极之间且位于铟砷化镓基底层上端面由下至上依次设置有作为沟道的砷化镓层、作为第一层势垒的铝化砷层、作为半导体量子阱的铟砷化镓层、作为第二层势垒的铝化砷层和作为吸光材料的N型铟砷化镓层，其中，铟砷化镓层、铝化砷层和N型铟砷化镓层两端与所对应的金属漏极和金属源极之间分别形成有氧化绝缘层，N型铟砷化镓层的上端面上设置有作为顶栅结构的金属铁电极层。本发明结构简单、对光波长敏感、制备工艺简单的太赫兹半导体量子阱振荡器件，能够满足改变光波长来控制输出振荡频率的需要。

Description

一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器
技术领域
本发明涉及一种半导体器件。特别是涉及一种振荡频率对光波长敏感的半导体光控太赫兹量子阱振荡器。
背景技术
如今通信技术正在飞速发展，低频、中频、高频等各个波段都已经被各个行业所占据，可用的通信频带越来越少。为了满足人们对频段需求和传输数据量的日益增加，寻求传输距离远，可用频带宽的波段俨然成为目前通信技术的重要目标。因此，研究光控太赫兹电器件将成为光电器件领域的研究热点。
目前，不论是CMOS工艺还是半导体化合物工艺都不能满足在太赫兹应用的需求，主要原因是器件的寄生参数较大。同时太赫兹波需要更高频率的波作为载波实现传输，而传统以导体作为媒介的电信号不能传输如此高频的信号。以光作为媒介来实现控制功能以及信息的传输比使用电信号控制有更多的优势，其传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、中继距离长，可以实现更高的效率，并且绝缘、抗电磁干扰性能强等。同时可以通过减少电路链接带来的寄生效应；为得到更高频率的控制系统，以光作为控制媒介的器件正在被广泛的研究。基于等离子体材料设计的太赫兹器件有很多报道，例如：放大器，振荡器，功放等。半导体光器件也将成为主流的研究方向，同时，共振隧穿二极管作为一种有着卓越性能的量子效应器件，由于其本身有着微分负电导的特点，被用于太赫兹器件的研究中。但是，将光控信号与太赫兹振荡器相结合实现光控太赫兹振荡器件的研究缺口还很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、对光波长敏感、制备工艺简单的半导体光控太赫兹量子阱振荡器。
本发明所采用的技术方案是：一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，包括有铟砷化镓基底层，所述铟砷化镓基底层上端面的一端设置有金金属漏极，另一端设置有金金属源极，在所述的金属漏极和金属源极之间且位于所述铟砷化镓基底层上端面由下至上依次设置有作为沟道的砷化镓层、作为第一层势垒的铝化砷层、作为半导体量子阱的铟砷化镓层、作为第二层势垒的铝化砷层和作为吸光材料的N型铟砷化镓层，其中，所述铟砷化镓层、铝化砷层和N型铟砷化镓层两端与所对应的金属漏极和金属源极之间分别形成有氧化绝缘层，所述N型铟砷化镓层的上端面上设置有作为顶栅结构的金属铁电极层。
所述的铟砷化镓基底层的高度为10nm。
所述的砷化镓层的高度为2nm。
所述的铝化砷层的高度为1nm。
所述的铟砷化镓层的高度为0.3nm～0.5nm。
所述的铝化砷层的高度为1nm。
所述的N型铟砷化镓层高度为2.5nm。
所述的氧化绝缘层的厚度为2nm。
所述的金金属漏极为输入极，所述的金金属源极接天线负载，入射光信号为垂直入射光。
本发明的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，结构简单、对光波长敏感、制备工艺简单的太赫兹半导体量子阱振荡器件，能够满足改变光波长来控制输出振荡频率的需要。具有如下特点：
1、本发明提出的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器单元利用铟砷化镓作为基地，砷化镓材料作为沟道，光敏共振隧穿二极管作为栅并且栅电极采用透明导体材料制作。
2、所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器单元对光波长变化敏感，可以随着入射光波长的变化输出不同的振荡频率。
3、所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器单元为单个器件实现的光控振荡器，相对于目前的光控振荡器电路功耗低、体积小、寄生参数小，振荡频率高可在太赫兹频率下工作。
附图说明
图1是本发明一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器的结构示意图；
图2是本发明一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器的等效分布电路原理图。
图中
1：铟砷化镓基底层 2：金金属漏极
3：金金属源极 4：砷化镓层
5：铝化砷层 6：铟砷化镓层
7：铝化砷层 8：N型铟砷化镓层
9：金属铁电极层 10：氧化绝缘层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，包括有铟砷化镓基底层1，所述铟砷化镓基底层1上端面的一端设置有金金属漏极2，另一端设置有金金属源极3，在所述的金属漏极2和金属源极3之间且位于所述铟砷化镓基底层1上端面由下至上依次设置有作为沟道的砷化镓层4、作为第一层势垒的铝化砷层5、作为半导体量子阱的铟砷化镓层6、作为第二层势垒的铝化砷层7和作为吸光材料的N型铟砷化镓层8，其中，所述铟砷化镓层6、铝化砷层7和N型铟砷化镓层8两端与所对应的金属漏极2和金属源极3之间分别形成有氧化绝缘层10，所述N型铟砷化镓层8的上端面上设置有作为顶栅结构的金属铁电极层9。
其中，所述的铟砷化镓基底层1的高度为10nm。所述的砷化镓层4的高度为2nm。所述的铝化砷层5的高度为1nm。所述的铟砷化镓层6的高度为0.3nm～0.5nm。所述的铝化砷层7的高度为1nm。所述的N型铟砷化镓层8高度为2.5nm。所述的氧化绝缘层10的厚度为2nm。
本发明的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，所述的金金属漏极2为输入极，所述的金金属源极接天线负载，入射光信号为垂直入射光。
由上所述的本发明的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，电子在作为沟道的砷化镓层4中表现为二维电子气体特征。铝化砷层5、铟砷化镓层6和铝化砷层7双势垒层结构可以等效为共振隧穿二极管。上层的N型铟砷化镓层8作用是对光进行吸收。透明栅的材料为薄层透明顶栅结构的金属铁电极层9，其作用是为共振隧穿二极管提供偏置电压，使其工作在微分负电导区。铝化砷层5、铟砷化镓层6和铝化砷层7双势垒层结构与N型铟砷化镓层8共同构成光敏共振隧穿二极管结构。氧化绝缘层10材料可以采用任何绝缘材料，本实例是直接将各层材料的边缘2nm进行氧化，形成绝缘氧化层8目的是将光敏共振隧穿二极管结构与器件的源极和漏极隔离开。在本发明中，光敏共振隧穿二极管结构中无直流电流，金金属漏极2与金金属源极3之间需要加入2伏的直流偏置电压，金属铁电极层9接入1伏的偏置电压，使光敏共振隧穿二极管结构偏置在微分负电导工作区。
本发明一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器的等效分布电路原理图如图2所示。实际等效为有源传输线振荡器模型，沟道可以等效为电阻r与电感l的串联，r为沟道总电阻与分布个数的比值，分布个数越多，模型越准确。通常分布个数大于10时，等效结果差异不大。光敏共振隧穿二极管可以等效为电容c与电导g的并联，c为总电容与分布个数的比值，g为总电导与分布个数的比值。Δcq为光敏共振隧穿二极管中量子电容随光波长变化的变量。当光波长变化时，Δcq改变，从而引起振荡频率的改变，达到光控输出振荡频率的目的。漏极为输入极，源极接天线负载；图中S为交流地。
不同入射波长的光波从透明金属铁电极层垂直入射，激发不同频率的等离子体波，改变量子电容，从而改变器件的整体的电容，输出振荡频率随量子电容的改变而改变。
本实施例在铟砷化镓体系上实现，但在应用本发明过程中，可以在更广泛的半导体材料体系上实现，如硅、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。
尽管已示出并描述了根据本发明的实施例，但是本领域技术人员应当意识到，在不脱离本发明的基本原理和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，包括有铟砷化镓基底层(1)，所述铟砷化镓基底层(1)上端面的一端设置有金金属漏极(2)，另一端设置有金金属源极(3)，在所述的金属漏极(2)和金属源极(3)之间且位于所述铟砷化镓基底层(1)上端面由下至上依次设置有作为沟道的砷化镓层(4)、作为第一层势垒的铝化砷层(5)、作为半导体量子阱的铟砷化镓层(6)、作为第二层势垒的铝化砷层(7)和作为吸光材料的N型铟砷化镓层(8)，其中，所述铟砷化镓层(6)、铝化砷层(7)和N型铟砷化镓层(8)两端与所对应的金属漏极(2)和金属源极(3)之间分别形成有氧化绝缘层(10)，所述N型铟砷化镓层(8)的上端面上设置有作为顶栅结构的金属铁电极层(9)。
2.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的铟砷化镓基底层(1)的高度为10nm。
3.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的砷化镓层(4)的高度为2nm。
4.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的铝化砷层(5)的高度为1nm。
5.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的铟砷化镓层(6)的高度为0.3nm～0.5nm。
6.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的铝化砷层(7)的高度为1nm。
7.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的N型铟砷化镓层(8)高度为2.5nm。
8.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的氧化绝缘层(10)的厚度为2nm。
9.根据权利要求1所述的一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器，其特征在于，所述的金金属漏极(2)为输入极，所述的金金属源极(3)接天线负载，入射光信号为垂直入射光。
CN201810944789.4A 2018-08-19 2018-08-19 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器 Expired - Fee Related CN109244177B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810944789.4A CN109244177B (zh) 2018-08-19 2018-08-19 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810944789.4A CN109244177B (zh) 2018-08-19 2018-08-19 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109244177A true CN109244177A (zh) 2019-01-18
CN109244177B CN109244177B (zh) 2020-05-12

Family

ID=65071750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810944789.4A Expired - Fee Related CN109244177B (zh) 2018-08-19 2018-08-19 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109244177B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1624996A (zh) * 2003-12-04 2005-06-08 中国科学院半导体研究所 高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构及其制备方法
CN1832208A (zh) * 2005-03-11 2006-09-13 中国科学院半导体研究所 一种包含量子点的光探测场效应晶体管及制备方法
CN101038946A (zh) * 2006-03-16 2007-09-19 中国科学院半导体研究所 半导体量子点/量子阱导带内跃迁材料结构
CN104733545A (zh) * 2015-02-17 2015-06-24 天津大学 发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件
CN105845716A (zh) * 2016-05-12 2016-08-10 西安电子科技大学 渐变In组分InGaN子量子阱的RTD二极管及工艺
CN106057915A (zh) * 2016-08-08 2016-10-26 西安电子科技大学 铟镓氮发射极欧姆接触层的rtd二极管及制作方法
CN107248535A (zh) * 2017-05-03 2017-10-13 东南大学 一种光控hemt及其控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1624996A (zh) * 2003-12-04 2005-06-08 中国科学院半导体研究所 高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构及其制备方法
CN1832208A (zh) * 2005-03-11 2006-09-13 中国科学院半导体研究所 一种包含量子点的光探测场效应晶体管及制备方法
CN101038946A (zh) * 2006-03-16 2007-09-19 中国科学院半导体研究所 半导体量子点/量子阱导带内跃迁材料结构
CN104733545A (zh) * 2015-02-17 2015-06-24 天津大学 发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件
CN105845716A (zh) * 2016-05-12 2016-08-10 西安电子科技大学 渐变In组分InGaN子量子阱的RTD二极管及工艺
CN106057915A (zh) * 2016-08-08 2016-10-26 西安电子科技大学 铟镓氮发射极欧姆接触层的rtd二极管及制作方法
CN107248535A (zh) * 2017-05-03 2017-10-13 东南大学 一种光控hemt及其控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李艳辉 等: "基于RTD材料结构与参数的RTO设计与模拟", 《微波学报》 *
牛萍娟 等: "基于共振隧穿机制的太赫兹波振荡器特性模拟", 《电工技术学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109244177B (zh) 2020-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gu et al. Far-field wireless power harvesting: Nonlinear modeling, rectenna design, and emerging applications
Gao et al. Graphene-on-silicon nitride waveguide photodetector with interdigital contacts
Chen et al. Optoelectronic properties analysis of silicon light-emitting diode monolithically integrated in standard CMOS IC
Han et al. Progress in piezo-phototronic effect enhanced photodetectors
WO2004049527A2 (en) High speed data channel including a cmos vcsel driver, high performance photodetector and cmos photoreceiver
US10340407B2 (en) Avalanche photodetector
US10830640B2 (en) Electromagnetic wave detection element, electromagnetic wave sensor, electronic apparatus, and structural body
Li et al. CMOS‐Compatible Tellurium/Silicon Ultra‐Fast Near‐Infrared Photodetector
Li et al. Recent advances in new materials for 6G communications
CN113299775B (zh) 一种高速短波通信探测器
Memon et al. A three-terminal light emitting and detecting diode
Dang et al. Multiresonant grating to replace transparent conductive oxide electrode for bias selected filtering of infrared photoresponse
US7115910B2 (en) Multicolor photodiode array and method of manufacturing thereof
CN109244177A (zh) 一种半导体光控太赫兹量子阱振荡器
CN113805364B (zh) 一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器
CN106653930A (zh) 基于半导体纳米材料的等离激元增强光电探测器及其制备方法
CN203983286U (zh) 具有谐振腔增强效应条栅型的soi光电探测器
US20240008372A1 (en) Systems, articles, and methods for a tunable capacitor
CN208538885U (zh) 一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件
JP2001168353A (ja) 光素子
CN109638104B (zh) 一种石墨烯光电探测器及其制备方法
US10389020B2 (en) Solar element comprising resonator for application in energetics
JPH11191633A (ja) ｐｉｎ型半導体受光素子およびこれを含む半導体受光回路
CN112331728B (zh) 一种基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法
US11670665B2 (en) Opto-electronic device having junction field-effect transistor structure and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200512

Termination date: 20200819

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee