一種太赫茲光源器件及其製作方法與流程

2023-12-02 20:35:26 1

本發明涉及一種太赫茲器件，特別涉及一種太赫茲光源器件及其製作方法。

背景技術：

太赫茲波(Terahertz Wave)是指頻率為0.1-10THz(1THz＝1000GHz＝1012Hz)、波長為30微米～3毫米的電磁波。太赫茲波的輻射也稱為太赫茲輻射(Terahertz Radiation)。能夠產生太赫茲輻射的器件或裝置稱為太赫茲光源(Terahertz Source)或者太赫茲發射器(Terahertz Emitter)。

目前，產生太赫茲輻射的方案主要有電子學方案、光子學技術方案、電子學技術與光子學技術相結合的方案，以及基於等離子體波(Plasma Wave)的方案等。其中，基於等離子體波(Plasma Wave)的方案是通過激發固體材料中的電子氣而產生等離子體波或等離激元(Plasmon)，進而與金屬柵極形成偶極子振蕩並產生太赫茲輻射。該方案的器件工作原理相對簡單，並且具有室溫工作、體積小型化、使用方便、易於集成等獨特優勢。

進一步的，在基於二維等離激元的太赫茲光源器件中，如何高效激發二維電子氣從而誘導產生二維等離激元一直是研究熱點。例如，請參閱圖1，針對基於AlGaN/GaN異質結的二維電子氣，人們針對縱向(沿材料生長方向)電流激發技術進行了研究，試圖通過從金屬柵極隧穿經勢壘層至異質結二維電子氣溝道層的電子的能量弛豫激發二維等離激元，從而激發產生太赫茲輻射。這種激發技術的難點在於隧穿電流無法真正實現二維等離激元的高效激發，原因在於：一方面，在較低柵極偏壓時，注入電子數目本身就少，輸入電功率小，因此產生的太赫茲輻射功率很弱；另一方面，在較高柵極偏壓時，勢壘層中電場增強，電子不可避免地將與晶格中的缺陷態發生較強的相互作用而形成缺陷態輔助作用下的電子隧穿過程，導致注入電子能量受到損耗，極大降低了能量轉化效率。相關實驗研究表明，採用縱向柵極注入電流激發技術的太赫茲光源器件，其絕對輻射功率在納瓦量級，輻射效率在10-1(低柵極偏壓)～10-6(高柵極偏壓)，難以滿足應用需求。另一方面，為提高隧穿電流、減少隧穿電子的能量損耗，減薄勢壘層厚度的技術方案亦被提出，然而減薄勢壘層厚度會使異質結中的二維電子氣濃度大幅度降低，從而直接影響太赫茲輻射功率及頻率的可調範圍。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於提供一種太赫茲光源器件及其製作方法，以克服現有技術的不足。

為實現前述發明目的，本發明採用的技術方案包括：

在一些實施例中提供了一種太赫茲光源器件，包括主要由第一半導體和第二半導體組成的異質結以及與所述異質結連接的電極，所述第二半導體形成於第一半導體表面，並具有寬於第一半導體的帶隙，並且所述異質結內分布有二維電子氣；其中，所述第二半導體表面還分布有複數基於V型坑的Via結構。

在一些實施例中還提供了一種製作太赫茲光源器件的方法，其包括：在襯底上依次生長成核層、緩衝層、第一半導體和第二半導體而形成外延結構層，所述第一半導體與第二半導體配合形成包含二維電子氣的異質結，所述第二半導體具有寬於第一半導體的帶隙，並且所述第二半導體表面還分布有複數基於V型坑的Via結構，同時所述外延結構層內還包含有自成核層連續延續至相應基於V型坑的Via結構的穿透位錯。

與現有技術相比，本發明的優點包括：通過在材料外延生長層面故意引入基於V型坑的Via結構，極為有利於縱向柵極注入電流激發技術方案的實現，可以更好避免背景黑體輻射帶來的噪音問題，同時還能大幅提高能量轉化效率和輸入電功率，實現太赫茲輻射功率和輻射效率在數量級上的提升。

附圖說明

圖1是基於二維等離激元的太赫茲光源器件的工作原理圖；

圖2是本發明實施例1中於襯底上生長形成成核層與緩衝層的示意圖；

圖3是本發明實施例1中生長形成GaN溝道層的示意圖；

圖4是本發明實施例1中生長形成AlN插入層的示意圖；

圖5是本發明實施例1中生長形成高質量AlGaN勢壘層的示意圖；

圖6是本發明實施例1中生長形成含有V型坑Via結構的AlGaN勢壘層的示意圖；

圖7是本發明實施例1中V型坑Via結構的立體示意圖；

圖8是本發明實施例1中沉積金屬柵極Ni/Au的示意圖；

圖9是本發明實施例1中利用AlGaN勢壘層中V型坑Via結構提高電子注入效率的示意圖；

圖10是本發明實施例2中太赫茲光源器件製備工藝流程圖。

具體實施方式

鑑於現有技術中的不足，本案發明人經長期研究和大量實踐，得以提出本發明的技術方案。如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。

本發明的一個方面提供了一種太赫茲光源器件，包括主要由第一半導體和第二半導體組成的異質結以及與所述異質結連接的電極，所述第二半導體形成於第一半導體表面，並具有寬於第一半導體的帶隙，並且所述異質結內分布有二維電子氣；其中，所述第二半導體表面還分布有複數基於V型坑的Via結構。

在一些實施例中，所述第二半導體包括第一勢壘層和形成於第一勢壘層表面的第二勢壘層，所述第二勢壘層表面分布有所述基於V型坑的Via結構。

在一些較佳實施例中，所述基於V型坑的Via結構具有V型截面。

進一步的，所述異質結內還分布有與所述基於V型坑的Via結構對應的穿透位錯。

在一些實施例中，所述的太赫茲光源器件包括形成於襯底上的外延結構層，所述外延結構層包括沿設定方向依次設置的成核層、緩衝層和異質結，所述外延結構層內還分布有與所述基於V型坑的Via結構對應的穿透位錯，所述穿透位錯自成核層連續延續至所述基於V型坑的Via結構。

其中，所述電極優選採用金屬材料製成，但也可以選自其它非金屬導電材料。

進一步的，在第一半導體和第二半導體之間還可設置插入層，其材質可以是AlN等。

進一步的，本發明的太赫茲光源器件的有源區結構不僅僅局限於AlGaN/AlN/GaN異質結，也可以適用於具有其他有源區結構的太赫茲光源器件，如基於近晶格匹配的AlInGaN/AlN/GaN異質結等。

進一步的，本發明的太赫茲光源器件的結構不僅僅局限於基於耦合金屬光柵的器件，也可以適用於基於單柵、雙柵以及多柵結構的太赫茲光源器件。

進一步的，本發明的太赫茲光源器件的外延材料不僅僅局限於III族氮化物半導體，也可以適用於其他材料體系，如III族砷化物半導體材料體系等。

進一步的，本發明的太赫茲光源的襯底不僅僅局限於矽襯底，也可以適用於基於其他襯底的太赫茲光源器件，如基於藍寶石、碳化矽、氮化鎵襯底的太赫茲光源器件。

本發明的一個方面提供了一種製作太赫茲光源器件的方法，其包括：在襯底上依次生長成核層、緩衝層、第一半導體和第二半導體而形成外延結構層，所述第一半導體與第二半導體配合形成包含二維電子氣的異質結，所述第二半導體具有寬於第一半導體的帶隙，並且所述第二半導體表面還分布有複數基於V型坑的Via結構，同時所述外延結構層內還包含有自成核層連續延續至相應基於V型坑的Via結構的穿透位錯。

進一步的，所述的製作方法包括：通過調整外延生長條件而在第二半導體中故意引入基於V型坑的Via結構；其中，所述調整外延生長條件的操作包括；降低V/III比，降低生長溫度，提高生長壓力中的任意一種或多種操作的組合。

在本發明的一些實施例中，利用業界所知的合適工藝條件下實現的每一個V型坑Via結構的中心都有一根穿透位錯，亦即，V型坑的密度和位置分布主要決定於穿透位錯的密度(102～1010/cm2)及分布。因此，通過調控材料外延生長工藝及條件，如生長溫度、反應室壓強、V/III比、生長速率、氣氛等，可對材料中的穿透位錯密度進行有效調控，從而調控、優化V型坑Via結構的空間分布密度，並且還可通過勢壘層厚度、生長工藝等條件對V型坑Via結構的尺寸(直徑1～50nm)、幾何表面積等參量進行優化，從而在保證高質量二維電子氣的前提下，優化縱向柵極電子注入物理過程。

本發明在太赫茲光源器件製作工藝中，通過在外延生長時於勢壘層中故意引入基於V型坑的Via結構，可以有效解決現有技術中柵極注入電流激發中存在的問題，大幅提高太赫茲輻射功率和輻射效率。具體的講，本發明基於電子隧穿機率與隧穿勢壘厚度呈指數變化關係P∞exp(-d)的原理，通過局域式地改變勢壘厚度，即，在勢壘層中故意引入基於V型坑的Via結構，從而極大影響電子的隧穿過程，同時可以維持較厚的勢壘層以保證較高的二維電子氣(2DEG)濃度，得以實現太赫茲輻射功率與效率在數量級上的提升。更為具體的講，通過本發明的前述特殊結構設計，一方面，在較低柵極偏壓的情況下，可以增大電子注入的有效區域面積，從而增加柵極注入電子數目有效提高輸入電功率，從而提高器件的絕對發射功率；另一方面，在較高柵極偏壓的情況下，可以減小隧穿距離，從而減小電子與勢壘層中缺陷態發生相互作用的概率，從而有效提高能量轉化效率。

以下結合附圖及實施例對本發明的技術方案作更為詳盡的解釋說明。

實施例1本實施例提供了一種基於AlGaN/GaN異質結的太赫茲光源器件，其勢壘層AlGaN中引入有V型坑Via結構，所述V型坑Via結構主要通過改變外延生長條件而形成的。

在一實施方案中，所述太赫茲光源器件的製備工藝包括如下步驟：

1.Si(111)襯底上完成AlN成核層、GaN緩衝層的生長。如圖2所示。

2.生長GaN溝道層。採用MOCVD系統，基於GaN模板，在溫度950～1100℃、壓力50～266mbar條件下，TMGa流量為10～100sccm，TMAl流量為15～150sccm，NH3流量為6～20slm，可實現GaN溝道層生長速率0.04～0.4nm/s，溝道層厚度為50～500nm。如圖3所示。

3.生長AlN插入層。關閉TMGa源，TMAl流量保持15～150sccm，NH3流量保持為6～20slm，厚度為0.5～2nm。如圖4所示。

4.生長高質量勢壘層，其表面平整度在原子級別，並且含雜質少。打開TMGa源，TMGa流量調至5～80sccm，保持TMAl流量，生長AlGaN高質量勢壘層，厚度約0～10nm，Al組分5％～40％。如圖5所示。

5.生長分布有V型坑Via結構的AlGaN勢壘層。增加TMGa流量至10～150sccm，增加TMAl流量至25～250sccm，保持NH3流量不變，降低溫度至600～1000℃，壓力提高至133～400mbar。厚度約5～30nm，Al組分為5％～40％。如圖6所示。基於V型坑的Via結構如圖7所示。

6.生長結束。關閉MO源，保持NH3流量，降溫。

7.柵極金屬沉積。採用電子束蒸發沉積Ni/Au金屬，厚度為50/200nm。如圖8所示。

圖9示意出了本實施方式中，藉助分布在勢壘層中的V型坑Via結構以提高電子從金屬柵極一側注入至溝道處二維電子氣從而激發二維等離激元的效率。主要體現在兩個方面：1)通過V型坑Via結構以減小隧穿距離，從而減小電子與勢壘層中缺陷態發生相互作用的概率，有效提高注入至溝道處二維電子氣的電子能量，提高能量轉化效率；2)通過V型坑Via結構有效增加了電子注入的有效區域面積，從而在較低柵極偏壓的情況下增加柵極注入電子數目，有效提高輸入電功率。

實施例2本實施例提供了一種基於AlInN/GaN異質結的太赫茲光源器件，其勢壘層AlInN中引入有V型坑Via結構，所述V型坑Via結構主要通過改變外延生長條件而形成的。

在一實施方案中，所述太赫茲光源器件的製備工藝包括如下步驟：

1.在Si(111)襯底上完成AlN成核層、GaN緩衝層的生長。如圖10中的A所示。

2.生長GaN溝道層。採用MOCVD系統，基於GaN模板，在溫度950～1100℃、壓力50～266mbar下，TMGa流量為10～100sccm，TMAl流量為15～150sccm，NH3流量為6～20slm，可實現GaN溝道層生長速率0.04～0.4nm/s，溝道層厚度約50～500nm。如圖10中的B所示。

3.生長AlN插入層。關閉TMGa源，TMAl流量保持15～150sccm，NH3流量保持為6～20slm，厚度約0.5～2nm。如圖10中的C所示。

4.生長高質量勢壘層，其表面平整度在原子級別，並且含雜質少。降溫至700～850℃，打開TMIn源，TMIn流量調至200～500sccm，NH3流量調至1～5slm，保持TMAl流量不變，生長AlInN高質量勢壘層，厚度為2～10nm，Al組分95％～70％。如圖10中的D所示。

5.生長分布有V型坑Via結構的AlInN勢壘層。增加TMIn流量至210～600sccm，增加TMAl流量至25～250sccm，保持NH3流量不變，降低溫度至500～800℃，壓力提高至133～400mbar。厚度約5～30nm，Al組分為90％～70％。如圖10中的E所示。

6.生長結束。關閉MO源，保持NH3流量，降溫。

7.柵極金屬沉積。採用電子束蒸發進行Ni/Au金屬沉積，厚度約50/200nm。如圖10中的F所示。

需要說明的是，如上實施例所採用的各種器件結構、結構材料及工藝條件均是較為典型的範例，但經過本案發明人大量試驗驗證，於上文所列出的其它不同類型的器件結構、結構材料及其它工藝條件等也均是適用的，並也均可達成本發明所聲稱的技術效果。

應當理解，上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。