本發(fā)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制作方法。

背景技術(shù)：

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(chǎn)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(fā)射器(Terahertz Emitter)。

目前，產(chǎn)生太赫茲輻射的方案主要有電子學(xué)方案、光子學(xué)技術(shù)方案、電子學(xué)技術(shù)與光子學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方案，以及基于等離子體波(Plasma Wave)的方案等。其中，基于等離子體波(Plasma Wave)的方案是通過激發(fā)固體材料中的電子氣而產(chǎn)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并產(chǎn)生太赫茲輻射。該方案的器件工作原理相對簡單，并且具有室溫工作、體積小型化、使用方便、易于集成等獨特優(yōu)勢。

進一步的，在基于二維等離激元的太赫茲光源器件中，如何高效激發(fā)二維電子氣從而誘導(dǎo)產(chǎn)生二維等離激元一直是研究熱點。例如，請參閱圖1，針對基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的二維電子氣，人們針對縱向(沿材料生長方向)電流激發(fā)技術(shù)進行了研究，試圖通過從金屬柵極隧穿經(jīng)勢壘層至異質(zhì)結(jié)二維電子氣溝道層的電子的能量弛豫激發(fā)二維等離激元，從而激發(fā)產(chǎn)生太赫茲輻射。這種激發(fā)技術(shù)的難點在于隧穿電流無法真正實現(xiàn)二維等離激元的高效激發(fā)，原因在于：一方面，在較低柵極偏壓時，注入電子數(shù)目本身就少，輸入電功率小，因此產(chǎn)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(tài)發(fā)生較強的相互作用而形成缺陷態(tài)輔助作用下的電子隧穿過程，導(dǎo)致注入電子能量受到損耗，極大降低了能量轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)實驗研究表明，采用縱向柵極注入電流激發(fā)技術(shù)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(yīng)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(shù)方案亦被提出，然而減薄勢壘層厚度會使異質(zhì)結(jié)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(diào)范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種太赫茲光源器件及其制作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)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(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)以及與所述異質(zhì)結(jié)連接的電極，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，并且所述異質(zhì)結(jié)內(nèi)分布有二維電子氣；其中，所述第二半導(dǎo)體表面還分布有復(fù)數(shù)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)。

在一些實施例中還提供了一種制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、緩沖層、第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體而形成外延結(jié)構(gòu)層，所述第一半導(dǎo)體與第二半導(dǎo)體配合形成包含二維電子氣的異質(zhì)結(jié)，所述第二半導(dǎo)體具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，并且所述第二半導(dǎo)體表面還分布有復(fù)數(shù)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)，同時所述外延結(jié)構(gòu)層內(nèi)還包含有自成核層連續(xù)延續(xù)至相應(yīng)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)的穿透位錯。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：通過在材料外延生長層面故意引入基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)，極為有利于縱向柵極注入電流激發(fā)技術(shù)方案的實現(xiàn)，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(zhuǎn)化效率和輸入電功率，實現(xiàn)太赫茲輻射功率和輻射效率在數(shù)量級上的提升。

附圖說明

圖1是基于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(fā)明實施例1中于襯底上生長形成成核層與緩沖層的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中生長形成GaN溝道層的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1中生長形成AlN插入層的示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例1中生長形成高質(zhì)量AlGaN勢壘層的示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例1中生長形成含有V型坑Via結(jié)構(gòu)的AlGaN勢壘層的示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例1中V型坑Via結(jié)構(gòu)的立體示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例1中沉積金屬柵極Ni/Au的示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例1中利用AlGaN勢壘層中V型坑Via結(jié)構(gòu)提高電子注入效率的示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例2中太赫茲光源器件制備工藝流程圖。

具體實施方式

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，得以提出本發(fā)明的技術(shù)方案。如下將對該技術(shù)方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。

本發(fā)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(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)以及與所述異質(zhì)結(jié)連接的電極，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，并且所述異質(zhì)結(jié)內(nèi)分布有二維電子氣；其中，所述第二半導(dǎo)體表面還分布有復(fù)數(shù)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)。

在一些實施例中，所述第二半導(dǎo)體包括第一勢壘層和形成于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于V型坑的Via結(jié)構(gòu)。

在一些較佳實施例中，所述基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)具有V型截面。

進一步的，所述異質(zhì)結(jié)內(nèi)還分布有與所述基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)對應(yīng)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于襯底上的外延結(jié)構(gòu)層，所述外延結(jié)構(gòu)層包括沿設(shè)定方向依次設(shè)置的成核層、緩沖層和異質(zhì)結(jié)，所述外延結(jié)構(gòu)層內(nèi)還分布有與所述基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)對應(yīng)的穿透位錯，所述穿透位錯自成核層連續(xù)延續(xù)至所述基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)。

其中，所述電極優(yōu)選采用金屬材料制成，但也可以選自其它非金屬導(dǎo)電材料。

進一步的，在第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體之間還可設(shè)置插入層，其材質(zhì)可以是AlN等。

進一步的，本發(fā)明的太赫茲光源器件的有源區(qū)結(jié)構(gòu)不僅僅局限于AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，也可以適用于具有其他有源區(qū)結(jié)構(gòu)的太赫茲光源器件，如基于近晶格匹配的AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)等。

進一步的，本發(fā)明的太赫茲光源器件的結(jié)構(gòu)不僅僅局限于基于耦合金屬光柵的器件，也可以適用于基于單柵、雙柵以及多柵結(jié)構(gòu)的太赫茲光源器件。

進一步的，本發(fā)明的太赫茲光源器件的外延材料不僅僅局限于III族氮化物半導(dǎo)體，也可以適用于其他材料體系，如III族砷化物半導(dǎo)體材料體系等。

進一步的，本發(fā)明的太赫茲光源的襯底不僅僅局限于硅襯底，也可以適用于基于其他襯底的太赫茲光源器件，如基于藍寶石、碳化硅、氮化鎵襯底的太赫茲光源器件。

本發(fā)明的一個方面提供了一種制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、緩沖層、第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體而形成外延結(jié)構(gòu)層，所述第一半導(dǎo)體與第二半導(dǎo)體配合形成包含二維電子氣的異質(zhì)結(jié)，所述第二半導(dǎo)體具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，并且所述第二半導(dǎo)體表面還分布有復(fù)數(shù)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)，同時所述外延結(jié)構(gòu)層內(nèi)還包含有自成核層連續(xù)延續(xù)至相應(yīng)基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)的穿透位錯。

進一步的，所述的制作方法包括：通過調(diào)整外延生長條件而在第二半導(dǎo)體中故意引入基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)；其中，所述調(diào)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(fā)明的一些實施例中，利用業(yè)界所知的合適工藝條件下實現(xiàn)的每一個V型坑Via結(jié)構(gòu)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于穿透位錯的密度(10²～10¹⁰/cm²)及分布。因此，通過調(diào)控材料外延生長工藝及條件，如生長溫度、反應(yīng)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(diào)控，從而調(diào)控、優(yōu)化V型坑Via結(jié)構(gòu)的空間分布密度，并且還可通過勢壘層厚度、生長工藝等條件對V型坑Via結(jié)構(gòu)的尺寸(直徑1～50nm)、幾何表面積等參量進行優(yōu)化，從而在保證高質(zhì)量二維電子氣的前提下，優(yōu)化縱向柵極電子注入物理過程。

本發(fā)明在太赫茲光源器件制作工藝中，通過在外延生長時于勢壘層中故意引入基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)，可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中柵極注入電流激發(fā)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(fā)明基于電子隧穿幾率與隧穿勢壘厚度呈指數(shù)變化關(guān)系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于V型坑的Via結(jié)構(gòu)，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(xiàn)太赫茲輻射功率與效率在數(shù)量級上的提升。更為具體的講，通過本發(fā)明的前述特殊結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)域面積，從而增加?xùn)艠O注入電子數(shù)目有效提高輸入電功率，從而提高器件的絕對發(fā)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(tài)發(fā)生相互作用的概率，從而有效提高能量轉(zhuǎn)化效率。

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)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于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的太赫茲光源器件，其勢壘層AlGaN中引入有V型坑Via結(jié)構(gòu)，所述V型坑Via結(jié)構(gòu)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制備工藝包括如下步驟：

1.Si(111)襯底上完成AlN成核層、GaN緩沖層的生長。如圖2所示。

2.生長GaN溝道層。采用MOCVD系統(tǒng)，基于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(xiàn)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(guān)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(zhì)量勢壘層，其表面平整度在原子級別，并且含雜質(zhì)少。打開TMGa源，TMGa流量調(diào)至5～80sccm，保持TMAl流量，生長AlGaN高質(zhì)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(jié)構(gòu)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。基于V型坑的Via結(jié)構(gòu)如圖7所示。

6.生長結(jié)束。關(guān)閉MO源，保持NH₃流量，降溫。

7.柵極金屬沉積。采用電子束蒸發(fā)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，借助分布在勢壘層中的V型坑Via結(jié)構(gòu)以提高電子從金屬柵極一側(cè)注入至溝道處二維電子氣從而激發(fā)二維等離激元的效率。主要體現(xiàn)在兩個方面：1)通過V型坑Via結(jié)構(gòu)以減小隧穿距離，從而減小電子與勢壘層中缺陷態(tài)發(fā)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(zhuǎn)化效率；2)通過V型坑Via結(jié)構(gòu)有效增加了電子注入的有效區(qū)域面積，從而在較低柵極偏壓的情況下增加?xùn)艠O注入電子數(shù)目，有效提高輸入電功率。

實施例2本實施例提供了一種基于AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)的太赫茲光源器件，其勢壘層AlInN中引入有V型坑Via結(jié)構(gòu)，所述V型坑Via結(jié)構(gòu)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制備工藝包括如下步驟：

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

2.生長GaN溝道層。采用MOCVD系統(tǒng)，基于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(xiàn)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(guān)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(zhì)量勢壘層，其表面平整度在原子級別，并且含雜質(zhì)少。降溫至700～850℃，打開TMIn源，TMIn流量調(diào)至200～500sccm，NH₃流量調(diào)至1～5slm，保持TMAl流量不變，生長AlInN高質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)束。關(guān)閉MO源，保持NH₃流量，降溫。

7.柵極金屬沉積。采用電子束蒸發(fā)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，如上實施例所采用的各種器件結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材料及工藝條件均是較為典型的范例，但經(jīng)過本案發(fā)明人大量試驗驗證，于上文所列出的其它不同類型的器件結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材料及其它工藝條件等也均是適用的，并也均可達成本發(fā)明所聲稱的技術(shù)效果。

應(yīng)當理解，上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。