專利名稱:光學半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用作利用光照射來產(chǎn)生和探測主要在從毫米波到太赫茲波的范圍內(nèi)的高頻電磁波的器件的光學半導體器件。
背景技術：
近些年來，已經(jīng)開發(fā)了利用從毫米波到太赫茲(THz)波范圍內(nèi)的電磁波(30GHz到30THz)的無損感測技術。在具有這個頻率波段的電磁波的應用領域中正在開發(fā)的技術包括使用代替X射線系統(tǒng)的安全放射鏡檢查系統(tǒng)(safe radioscopic inspection system)來進行成像的技術，用于獲得物質內(nèi)部的吸收光譜或復介電常數(shù)以評估原子的耦合狀態(tài)的光譜技術，用于分析生物分子的技術，以及用于評估載流子濃度或遷移率的技術。
JP10-104171A公開了合適地應用了光電導元件的THz發(fā)生裝置，其中，在淀積在襯底上的光電導薄膜上提供了同時用作電極的天線。圖10中所示是作為光電導元件的示例結構的探測器132。襯底30具有例如經(jīng)輻射處理過的藍寶石上硅(silicon-on-sapphire)結構，其中，作為光電導材料的硅膜被淀積在藍寶石襯底上。一般，低溫生長在GaAs襯底上的LT-GaAs也經(jīng)常被用作光電導膜。形成在表面的偶極天線138包括一對偶極天線饋電線(dipole feed line)138a和138b以及一對偶極天線臂部139a和139b。光脈沖在間隙133處會聚。當在所述間隙兩側施加電壓時，產(chǎn)生THz脈沖。在不施加電壓探測光電流時，可以探測到THz脈沖。襯底透鏡136用于將被約束在襯底130中的電磁波的板模(slab mode)(襯底模式)耦合到自由空間輻射模式，還用于控制在電磁波空間傳播模式中的輻射角度。
上面通過舉例圖解了單獨使用光電導元件將電磁波傳播到空間中。另一方面，在2002年1月7日《應用物理通信》第80卷第1期(AppliedPhysics Letters，vol.80，no.1)第154-156頁以及2004年3月22日《應用物理通信》第84卷第12期(Applied Physics Letters，vol.84，no.12)第2049-2051頁中公開了一種小的功能器件，其中，用作光電導元件的半導體膜和用于傳輸產(chǎn)生的電磁波的傳輸路徑被集成到單個襯底上。這種器件具有這樣的結構僅包括由LT-GaAs形成的光電導元件的外延層的薄膜被轉移到形成在襯底上的高頻傳輸路徑的一部分上。根據(jù)2002年1月7日的《應用物理通信》第80卷第1期第154-156頁，微帶線(microstrip line)形成在Si襯底上，其間夾有絕緣體樹脂。間隙形成在所述線的一部分中。LT-GaAs薄膜僅布置在所述間隙的底部。另一方面，根據(jù)2004年3月22日的《應用物理通信》第84卷第12期第2049-2051頁，共面帶線(coplanar strip line)形成在石英襯底上。LT-GaAs薄膜部分地布置為穿過所述兩條線之間的間隙。
每一個器件執(zhí)行驅動，這樣就可以通過空間傳播，將激光束從襯底的表面?zhèn)仁┘拥浇饘倬€間隙以允許生成的THz電磁波通過所述線傳播。

發(fā)明內(nèi)容在上述集成器件中，很難提高耦合效率且很難維持穩(wěn)定性，其原因是激光束是通過空間耦合和光電導元件對準。由于光電導元件的所述間隙部分形成在襯底表面，不可能橫向(laterally)地施加光。這樣就不能通過在襯底上提供光波導來實現(xiàn)免對準。換句話說，還存在諸如感測靈敏度、總測量時間以及制造成本等有待解決的問題。
另外，由于電場是通過表面電極被施加的，LT-GaAs的內(nèi)部電場不均勻而且不能有效地控制由激光束激發(fā)的載流子的行為。另外，在間隙間隔方面，需要精確的光刻來高再現(xiàn)性地形成1微米或更小的窄間隙，用于控制電場強度，因此導致制造成本的增加。允許通過空間傳播電磁波的單個光電導元件和集成器件都存在類似的問題。
本發(fā)明提供了光電導元件以及包括光電導元件和THz傳輸路徑等的集成器件，其中，位于電極之間的間隙間隔和所述間隙上的電場可以用一個簡單的結構容易地控制。本發(fā)明還提供了一種結構，用于提高和穩(wěn)定在與要被施加到間隙部分的光耦合時的耦合效率。
本發(fā)明提供了包含具有光電導性的半導體薄膜和一對電極的光學半導體器件，其中該對電極用于在大致垂直于所述半導體薄膜的前表面的方向向該半導體薄膜內(nèi)部施加電場，其中，所述半導體薄膜在其一個區(qū)域中接收光以產(chǎn)生電磁波，該區(qū)域是被施加了電場的區(qū)域。
此外，本發(fā)明提供了一種感測器件，其包含電磁波發(fā)生裝置及用于探測電磁波的電磁波探測裝置，所述電磁波發(fā)生裝置具有帶光電導性的半導體薄膜和一對電極，該對電極用于在基本上垂直于所述半導體薄膜表面的方向向該半導體薄膜的內(nèi)部施加電場，所述半導體薄膜在其被施加了電場的區(qū)域中接收光以產(chǎn)生電磁波，其中，感測由電磁波傳輸路徑中的對象引起的電磁波傳播狀態(tài)的改變，以獲得有關該對象的狀態(tài)的信息。
根據(jù)本發(fā)明的光學半導體器件，可以提供一種光電導元件，其中電極之間的間隙間距和所述間隙上的電場可以用簡單的結構來控制。另外，可以提供一種結構，該結構提高和穩(wěn)定了在與要被施加到間隙部分的光耦合時的耦合效率。鑒于以上方面，可以提供一種太赫茲感測器件，其能夠在低電壓下工作，尺寸小，具有容易調(diào)節(jié)的感測光學系統(tǒng)，并具有高穩(wěn)定性和信噪比。利用這種感測器件，可能低成本且高靈敏度地進行生物材料、有機物質或半導體材料的分析，人體的非侵入性或非接觸感測，對象位置改變的感測等。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點通過下面結合附圖的描述將會更加清楚，其中在本發(fā)明所有附圖中，相似的附圖標記指示相同或相似的部件。
包含在本說明書中并構成本說明書的一部分的附圖圖解了本發(fā)明的實施方式并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的集成器件的結構圖，圖1A是圖1中沿1A-1A的橫截面圖；圖2A、2B、2C、2D、2E和2F圖解了制造集成器件的方法，圖2BT、2DT、2ET和2FT分別為圖2B、2D、2E和2F的頂視圖；圖3圖解了根據(jù)本發(fā)明的集成器件的驅動光學系統(tǒng)；圖4圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的集成器件和驅動系統(tǒng)的配置；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的集成器件的結構圖，圖5B和5C分別是圖5中沿5B-5B和5C-5C的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的光電導元件部分的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的光電導元件部分的橫截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的集成器件的平面圖；圖9圖解了根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的光學系統(tǒng)；圖10圖解了傳統(tǒng)光電導元件。
具體實施方式本發(fā)明特征在于在大致垂直于所述半導體薄膜表面的方向向該半導體薄膜的內(nèi)部施加電場。特別優(yōu)選的是電極或準電極(quasi-electrodes)形成在半導體薄膜的前表面和后表面，半導體薄膜作為光電導膜夾在其間，這樣可以在膜厚度的方向施加電壓。在用于實現(xiàn)這個結構的示例的制造方法中，最好是在形成在第一襯底上的光電導膜上形成電極，然后在結合到第二襯底時留下光電導膜，去除所述第一襯底。然后電極或同時用作電極的電磁波傳輸線被形成在表面上，從而得到形成在所述第二襯底上的光電導元件。
在光電導元件產(chǎn)生的電磁波可以原樣被傳輸?shù)酵瑫r用作電極的電磁波傳輸路徑。可以給傳輸路徑提供向空間輻射的天線。或者，同樣結構的光電導元件可以被用作THz探測器。通過天線和傳輸路徑傳播的電磁波可以被有效地引到所述THz探測器。電磁波探測部分和發(fā)生部分可以通過電磁波傳輸路徑彼此互連并被集成到同一襯底上。
另外，光波導可以被集成為從可以被垂直施加電壓的光電導元件的側表面耦合光。用于光致激發(fā)的光束可以通過光纖傳輸，其中光纖可以被固定到對準的光波導。這樣就提供了無需調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)的高度穩(wěn)定的THz發(fā)生器/探測器。
可以被垂直施加電壓的半導體薄膜可以是單一成份，或可以有多層結構。具體地，最好是由III-V族化合物形成的III-V族半導體薄膜。在單一成份的情況下，例如，適合的是使用采用分子束外延方法在低溫(200℃到300℃)生長的LT-GaAs。電極之間的距離可以通過外延生長的膜的厚度來控制，這樣可以具有高再現(xiàn)性地和高精度地設置電場強度。在多層結構的情況下，形成異質結結構以在具有寬帶隙的半導體層之間夾入厚度減至大約100納米并被充分摻雜的光吸收層，從而同時實現(xiàn)載流子的高遷移率和短壽命。本發(fā)明不限于此，可以層疊不同導電類型或能帶的半導體。如上所述，通過控制外延膜的厚度來以納米級控制被施加電場的間隙，這樣在再現(xiàn)性、成本等方面，可以解決表面處理的問題。
下面說明作為產(chǎn)生和探測太赫茲的光學半導體器件的光電導元件和包含光電導元件的集成器件的實施方式。材料、結構、器件等都不限于這里所提供的說明。此外，除了這兒給出的說明，可以利用元件的各種用途和所產(chǎn)生的電磁波的各種特性。
第一實施方式根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，用于將光轉換成太赫茲電磁波的光電導元件、光波導、微帶線被集成到同一襯底上，如圖1所示。
Ti/Au電極(或者是Al電極)7作為地電位面(接地層)形成在Si襯底1上的部分區(qū)域中。厚度2微米的低溫(LT)生長GaAs外延膜4被轉移到中心附近。光波導3形成在LT-GaAs的左側，這樣從外部進入的光束有效地向LT-GaAs膜的側表面進行光照射。另一方面，Ti/Au微帶線5形成在頂部的右側上，并夾有絕緣體2，這樣在LT-GaAs產(chǎn)生的電磁波可以傳播。這條線同時用作LT-GaAs的上電極。接線天線(patch antenna)6形成在該線的另一個末端部分，這樣電磁波9可以通過空間輻射。這個天線是寬帶類型，形狀為漸縮形狀以有效地發(fā)射脈沖波形。
參見沿圖1中的1A-1A的橫截面圖(圖1A)，絕緣體2僅在LT-GaAs的頂部有開口窗11以獲取電極觸點。絕緣體2右側末端部分有切除部分12，以獲得用于施加電壓8到LT-GaAs上的端子。用于和LT-GaAs接觸的AuGe/Ni/Au電極10被使用AuSn焊料(未圖示)與地電位面7的頂面的Au熔合。
上述配置允許光電導元件在垂直于LT-GaAs的膜厚度的方向施加均勻電場的情況下工作，如圖1所示。此外，間隙間距可以由外延膜的厚度來限定，因此實現(xiàn)了高精確性和可再現(xiàn)性。一般，襯底的尺寸小到總體上大約1平方厘米。雖然光波導具有大約10平方微米的橫截面，在光束進入部分尺寸可以提高到50平方微米以提高耦合效率。相反，在用于向LT-GaAs照射的點附近，厚度方向可以減少到2微米，并漸縮以調(diào)整尺寸(未圖示)。微帶線寬度為15微米。當作為光電導元件驅動被轉移的LT-GaAs時，上電極的寬度由絕緣體窗11限定為10微米。苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene(BCB))、聚硅烷(polysilane)或者聚酰亞胺(polyimide)適合用作絕緣體，其易于被處理并在高頻時具有低介電損失。厚度被設置到大約6微米。上述尺寸或材料僅用于舉例，本發(fā)明不限于此。
雖然作為例子使用接線天線(patch antenna)作為天線，但是也可以使用偶極天線、螺旋天線、F-天線等。此外，通過將傳輸線轉換成隙縫線或是共面線，可以使用表面型的蝴蝶結(bow-tie)天線或隙縫天線?；蛘?，可以集成八木天線、喇叭天線等來控制方向性。
現(xiàn)在參見圖2A、2B、2C、2D、2E和2F，下面將描述用于制造這個實施方式的所述器件的方法。與圖1中相同的元件將用同樣的數(shù)字來標識。應當注意圖2BT、2DT、2ET和2FT分別為圖2B、2D、2E和2F的頂視圖。
在圖2A中，作為用于去除襯底的犧牲層的100納米厚的AlAs層21和在250℃的低溫生長的2微米厚的LT-GaAs層22通過分子束外延(MBE)方法等在GaAs襯底20上生長。
在圖2B中，在LT-GaAs表面上形成AuGe/Ni/Au電極10并在40℃形成合金。在GaAs襯底上進行機械拋光20到120微米，結果得到大約200平方微米的芯片23。另外，為了增加所述芯片的厚度，電極10可以被鍍金以具有3微米的厚度。在預先形成在Si襯底1上的地電位面7的部分區(qū)域中形成AuSn焊料。操縱芯片23以將其置于所希望的位置，然后通過加熱熔合。當在芯片側進行鍍金時，隨后可以通過電鍍或淀積在表面上提供Sn?？梢允褂渺o電鑷子(electrostatic tweezer)等逐一操縱芯片?；蛘撸诰?，多個芯片可以以所要求的間距臨時結合在玻璃襯底等上，然后一起被熔合。
在圖2C中，熔合了的芯片的GaAs襯底要被去除。在這種情況下，當芯片23的周圍覆蓋有有機材料等時，使用過氧化氫和氨水的混合溶液以10微米/分鐘的速率蝕刻GaAs。所述蝕刻在AlAs層停止。使用濃鹽酸去除用作犧牲層的所述AlAs。
在圖2D中，以與上述類似的方式進行光刻和濕法蝕刻，以將被轉移的LT-GaAs的尺寸減小到100微米×50微米。這個蝕刻目的還在于去除LT-GaAs側壁的損壞層。這里，電極10在蝕刻GaAs后留下的一部分25可以通過進行金屬蝕刻被去除。
在圖2E中，通過涂覆BCB和光刻來制造用于微帶線的光波導3和絕緣體2。通過首先使用光敏BCB形成核心層，然后在整體上施加非光敏BCB，嵌入所述光波導3。折射率比所述非光敏BCB更高的光敏BCB用作光波導。在整個表面被非光敏BCB平坦化后，通過光蝕刻以及通過使用氧氣和CF4的混合氣體的反應離子刻蝕(RIE)形成用于LT-GaAs的電極的窗11。
在圖2F中，用作LT-GaAs的上電極的Ti/Au電極以及微帶線和天線通過剝離(lift-off)方法形成。
在前面的描述中，作為舉例使用了BCB。也可以類似地使用聚酰亞胺用于制造?；蛘?，在使用光敏聚硅烷的方法中，可以通過用曝光控制聚合度來改變折射率，來制造光波導。
圖3圖解了根據(jù)本發(fā)明的集成垂直電場施加型光電導元件的驅動系統(tǒng)。當使用THz脈沖作為發(fā)生電磁場時，由鈦藍寶石飛秒激光器(titanium sapphire femto second laser)30產(chǎn)生大約100飛秒(fsec)的超短脈沖，之后用半反射鏡36分成泵浦射束(pump beam)和探測射束(probe beam)。所述泵浦射束耦合到根據(jù)本發(fā)明的集成器件31的光束進入端，以產(chǎn)生THz電磁波35。用于提高射束方向性的半球透鏡(Hemispherical lens)32結合在發(fā)射電磁波的天線的上部分上。所述THz電磁波脈沖經(jīng)過要被檢查的對象33并在集成器件34的探測側(面向后面)上的天線處被接收。集成器件34可以有和發(fā)生側器件31一樣的結構。對于作為探測器的用途，在不施加電場的情況下探測在光電導元件的電極間流動的電流。通過調(diào)整探測射束進入延遲光學系統(tǒng)38的定時，可以獲得電磁波脈沖波形而無需高速電子電路。通過波形分析來測量幅度改變、相對傳播延遲、傅立葉頻譜改變等可以檢查樣本33的物理屬性等。一般地，激光束的強度平均大約為幾個mW，以大約80MHz重復，施加到光電導元件的電壓大約為10伏。根據(jù)本發(fā)明在垂直電壓施加的情況下，所述間隙間距為2微米，其小于通常使用的表面電極型的5微米。因此，用于獲得相同電場強度所施加的電壓可以被降低。
可以以無損和非接觸的方式檢查包括有機材料、半導體材料、活體材料等各種對象。通過對對象的二維掃描，還可以獲得分布圖像。
通過將人的指尖插到電磁波傳播路徑中檢測血管樣式或指紋，也可以進行皮膚狀態(tài)、血流(例如，血液脈搏)、血液成份等的識別以及個人身份驗證。
另外，本發(fā)明還可有效用于嵌入對象的厚度、張數(shù)或紙或塑料的內(nèi)部的放射檢查。
上面描述的這種實施方式提供了半導體器件，其中由LT-GaAs構成的垂直電場施加型光電導元件與微帶線、天線以及光波導集成在一起。但是，當然，光電導元件單獨地也可以作為電磁波發(fā)生元件工作。在這種情況下，光束可以從側面被施加或可以從上電極附近的頂部被施加。為了增加輻射效率，上電極的形狀可以像天線。
雖然在此說明了GaAs族，但可以使用其它半導體比如InP或InAs?；蛘?，可以使用具有光電導性的有機半導體。
第二實施方式根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式，多個元件被排列在同一個半導體襯底上，如圖4中的集成器件40所示。在第一實施方式中所示的制造工藝中，元件一起以晶片級形成在Si襯底41上，這樣，依據(jù)所述元件的布置或切割晶片的方式，可以自由地提供排列的元件。
更具體地，平行布置兩個光波導42a和42b、光電導元件47a和47b、微帶線43a和43b以及印制偶極天線44a和44b。雖然排列間距在這里說明為1厘米，但本發(fā)明不限于此。在這個情況下，THz電磁波包括如箭頭46所示通過空間傳播的分量，這樣可以探測到在對象45上反射的電磁波的變化狀態(tài)。
就光學系統(tǒng)而言，盡管可以使用如第一實施方式所示的飛秒激光器，但這里為了降低成本和尺寸使用兩個半導體激光器48。當兩個半導體激光器的單模振蕩的振蕩波長稍有不同時，耦合器49將要施加到光波導42a的輸入端的激光束混合，這樣光電導元件47a可以產(chǎn)生相應于差頻(beat，差拍)分量的電磁波。通過在穩(wěn)定時改變差頻的量，CW的THz電磁波的振蕩頻率可以在大約0.1THz到3THz的范圍內(nèi)變化。在接收側，在通過時間調(diào)整器50入射到光波導42b的時候，光電導元件47b使用它的光混合功能去探測通過天線44b接收到的電磁波的強度。所述時間調(diào)整器50執(zhí)行光混合的相位調(diào)整。在改變拍頻(beatfrequency)的同時進行的探測可以測量到對象的反射譜，以象第一實施方式中一樣識別物理屬性。
使用反射測量，可以探測吸收率相對較大的材料的物理特性，其膜厚度、其表面粗糙狀態(tài)等。關于使用到人體，可以檢查皮膚表面狀態(tài)例如粗糙或老化狀態(tài)、毛孔狀態(tài)、含水量、膠原質、脂肪分布、血流或血液中的物質等。
或者，通過測量反射的電磁波的延遲時間，還可以感測對象45的位置改變。在這個情況下，以數(shù)十個兆赫(MHz)的三角形波調(diào)制半導體激光器，以根據(jù)已知的FMCW方法使用THz電磁波來進行位置識別，這可以得到高分辨率(＜100微米)的位置遙測器件。
圖4象征性圖解了一個光學系統(tǒng)。當激光束源不提供超短脈沖時，但是，光纖被用來傳播，其在效率和空間方面更有優(yōu)勢。與集成器件的耦合可以通過下述方式實現(xiàn)直接銜接耦合，插入透鏡，或以提高了耦合效率的對準方式在光纖末端提供和固定引線(pigtail)，因此，減少了包括光源的器件的總尺寸。也可以不與光纖系統(tǒng)組合，可以將半導體激光器安裝到Si襯底上的平面光學電路上，并和集成有光電導元件的集成器件集成在一起。
第三實施方式根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式，如圖5所示，兩個光電導元件被集成到同一個襯底上。這允許感測器件在襯底上工作，用于感測靠近高頻傳輸線放置的對象。
光電導元件53a和第一實施方式中相似在線54和下電極52a之間施加垂直電場，由通過光波導51a傳播的光激發(fā)的THz電磁波通過線54傳播。在這個實施方式中，沒有提供地電位面，高頻傳輸線是包括向上和向下嵌入絕緣體55中的信號線54的單條線。電極52a和52b是隔離的，每一個具有大約3微米的厚度，并鍍有金以用于調(diào)整光電導元件的高度。
因此，制造工藝幾乎和第一實施方式相同，不同之處在于，在Si襯底1側面的電極52a和52b被圖案化并增加厚度，并形成也用作電極的傳輸線54，該傳輸線然后在頂部被同樣的絕緣體覆蓋大約3微米。參見沿5B-5B的橫截面圖(圖5B)和沿5C-5C的橫截面圖(圖5C)可以容易理解這一點。如沿5B-5B的橫截面圖所示，由于絕緣體55在線54形成之后被嵌入，提供了通孔電極57a用于獲得電極觸點。另外，如沿5C-5C的橫截面圖所示，給傳輸線的中間部分提供了孔56，用于增加傳播的電磁波的穿透性。將要被檢查的材料被放置在這個孔中以被高效地檢查。
外部光學系統(tǒng)和第一實施方式中的類似來自鈦藍寶石飛秒激光器產(chǎn)生的泵浦束被引到THz電磁波發(fā)生側波導51a，而探測束通過延遲光學系統(tǒng)被引到探測側波導51b。
在這個系統(tǒng)中，在光電導元件53b處探測在傳輸線54上傳播狀態(tài)的改變，這樣可以識別傳輸路徑上的對象。在探測側的光電導元件53b處，產(chǎn)生的光電流可以不用施加電場而被測量，如第一實施方式中一樣。
電磁波作為漸消失波(evanescent wave)穿透進入包含樣本的孔56中，傳播狀態(tài)根據(jù)所包含的對象的屬性而發(fā)生改變。具體地，作為信號的變化，會發(fā)生電磁波的衰減、特定頻率分量的吸收或傳播延遲。這導致和使用空間光學系統(tǒng)的傳統(tǒng)測量相比尺寸顯著減小，減少了元件的數(shù)量、提高了穩(wěn)定性和光耦合效率且提高了信噪比。
另外，傳統(tǒng)上無法測量的液體、粉末等只是放在孔56中被測量。例如，源于生物的材比料如氨基酸、脫氧核糖核酸(DNA)或蛋白質應該在溶液中被測量用以分析。本發(fā)明提供了生物感測器，其利用在溶液狀態(tài)下的高頻介電性能進行傳統(tǒng)上是很難進行的評估。
應當注意，盡管作為光學系統(tǒng)說明了飛秒激光器，但是可以使用半導體激光和光纖來減少整體器件尺寸，如第二實施方式所示。
第四實施方式根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式，提供了一種結構，其允許增加場強度以及允許電子高速運動。
圖6是類似第一實施方式的集成器件的光電導元件部分的橫截面圖。所述結構除了光電導元件外和第一實施方式中的相同，所述光電導元件中，被轉移的外延膜具有多層膜結構。圖中顯示了在正常生長溫度(大約600℃)生長的標識為“65”的n型Al0.08 Ga0.92As，標識為“66”的n型Al0.2 Ga0.8As，標識為“67”的未摻雜GaAs，標識為“68”的n型Al0.08 Ga0.92As以及標識為“69”的n型Al0.2 Ga0.8As。所述n型層被高度摻雜。具體地，“65”和“69”使電極觸點對800納米的激發(fā)光具有低吸收。為了獲得大約2微米的總厚度，使“66”和“68”的厚度為1微米而其它的厚度為100納米。在具有100納米厚度的未摻雜的GaAs吸收層67出現(xiàn)激發(fā)光的吸收，這樣，產(chǎn)生的載流子可以快速運動而幾乎不和晶格發(fā)生碰撞。這個實施方式采用常溫生長，和LT-GaAs相比提供了好的結晶度。因此，載流子的遷移率高而載流子的壽命可以縮短，因為產(chǎn)生的載流子從吸收層很快到達N型層。此外，用作電場施加層的所述吸收層很薄，因此使得可以在低電壓下工作。另外，沒有使用由砷的聚集(As cluster)引起的缺陷層的載流子捕獲，結果是產(chǎn)熱減少且膜質量提高。由于在使用LT-GaAs的情況下常有的變化變少了，元件特性穩(wěn)定，且產(chǎn)量高。傳統(tǒng)上，雖然用于產(chǎn)生THz的光電導元件表現(xiàn)了優(yōu)秀的特征，但由于薄吸收層而不能提高激發(fā)效率。這種橫向入射型的實施方式提供了更長的吸收，從而充分提高了效率。
應當注意，雖然這里舉例說明了n-i-n結構，但是可以采用使用肖特基結的m-i-n(金屬-本征-n型)結構或p-i-n結構，以施加相反的電場。所述層的組成和厚度不限于這里所作的說明。
第五實施方式根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式，提供了垂直電場施加型光電導元件，而沒有第一實施方式中的轉移過程。
圖7圖解了它的橫截面圖。使用半絕緣GaAs70作為襯底。采用MBE方法外延生長用于制造電極觸點的n型Al0.08 Ga0.92As層71和LT-GaAs層72。絕緣層73和上電極74和第一實施方式中的對應元件相似。
對于下電極，n型層71被高度摻雜以獲得類似金屬的作用，埋入的電極75實現(xiàn)接觸。電極75被配置為使得由在和n型AlGaAs接觸的部分由AuGe/Ni/Au構成合金電極，且通過鍍金增加其厚度。接觸層由AlGaAs構成以減少對用于激發(fā)的光的吸收。
可以單獨使用上述配置的光電導元件。或者，其可以配置為和第一到第三實施方式中一樣的集成器件。在不使用轉移的本方法中，可以極大地簡化制造過程。
第六實施方式圖8是根據(jù)本實施方式的包括根據(jù)第六實施方式的光電導元件、電磁波傳輸路徑和天線的集成器件的平面圖。
襯底81的表面涂覆有用作接地電極的Au薄膜和BCB，其總體厚度為3微米。部分區(qū)域80沒有BCB，以制造接地電極。1平方毫米的LT-GaAs薄膜89如第一實施方式中一樣被轉移。給所述部分區(qū)域90提供500平方微米的BCB窗以暴露LT-GaAs薄膜的表面。提供上電極88，使得可以通過寬度為20微米的Ti-Au線87從所述窗區(qū)域90施加偏壓到LT-GaAs的表面上。使寬度為5微米用于傳輸通過用短脈沖激光束照射LT-GaAs產(chǎn)生的太赫茲電磁波的微帶線84具有被調(diào)節(jié)到大約70Ω的特征阻抗。提供大約90平方微米的接線天線82用于將通過微帶線傳播的太赫茲電磁波輻射到空間中。形成切口83，以進行阻抗匹配，使得來自傳輸路徑的饋入點(feed point)達到相對天線的末端表面大約30微米的深度。
施加激光束到LT-GaAs的上電極附近大約5微米的斑點上，如放大圖中位置86所示?？梢越o上電極的一部分提供低通濾波器85，用于防止高頻電磁波傳播到電極焊盤88上，如圖8放大圖所示。Ti/Au線87的用于進行激光束照射的在位置86附近的一部分可以具有切口或隆起，以提高發(fā)生效率。
驅動利用太赫茲電磁波的感測的方式可以和上述實施方式一樣。圖9圖解了使用這個器件的示例的光學系統(tǒng)。根據(jù)這個實施方式的集成器件90的光電導元件部分91被通過反射鏡95和透鏡96來自飛秒激光器的光束97照射。從集成器件90產(chǎn)生的太赫茲電磁波通過兩個拋物柱面鏡(parabolic mirror)92和93通過空間傳播，如98所示，然后由探測器94接收。這里，飛秒激光器光束可以被分支并通過延遲系統(tǒng)(未圖示)傳播到探測器94，用于眾所周知的相干檢測(時域光譜檢測(timeregion spectrum detection)等)。
這里，進行太赫茲波形的傳輸線和天線之間的阻抗匹配，使得電磁波能有效地輻射進入空間，因此提高了感測傳輸線上的對象時的靈敏度，同在第一實施方式等中一樣。
由于不脫離本發(fā)明的實質和范圍可以進行許多顯著不同的實施方式，因此可以理解本發(fā)明不限于具體的實施方式而只受權利要求
書的限定。
本申請要求2004年7月30日提出的日本專利申請No.2004-22365 6和2005年2月1日提出的日本專利申請No.2005-025210的優(yōu)先權，這兩份申請通過引用被結合到本申請中。
權利要求
1.一種光學半導體器件，其包括具有光電導性的半導體薄膜；以及用于在大致垂直于所述半導體薄膜的前表面的方向向該半導體薄膜的內(nèi)部施加電場的電極對，其中所述半導體薄膜在其被施加電場的區(qū)域中接收光以產(chǎn)生電磁波。
2.如權利要求
1所述的光學半導體器件，其中所述電極對被布置在所述半導體薄膜的前表面和背面上，中間夾著所述半導體薄膜彼此相對。
3.如權利要求
1所述的光學半導體器件，其中所述半導體薄膜由III-V族化合物構成。
4.如權利要求
1所述的光學半導體器件，其中在所述半導體薄膜的至少一個表面上覆蓋有不同導電類型的半導體。
5.如權利要求
1所述的光學半導體器件，還包括用于傳播從所述半導體薄膜產(chǎn)生的電磁波的傳輸路徑，其中所述傳輸路徑電連接到所述電極之一。
6.如權利要求
1所述的光學半導體器件，還包括用于將從所述半導體薄膜產(chǎn)生的電磁波輻射到空間中的天線。
7.如權利要求
1所述的光學半導體器件，還包括傳輸路徑，用于傳播從所述半導體薄膜產(chǎn)生的電磁波；以及天線，用于將從所述半導體薄膜產(chǎn)生的電磁波輻射到空間中，其中所述傳輸路徑和所述天線互相耦合以使所述傳輸路徑的阻抗和所述天線的阻抗彼此大致相等。
8.如權利要求
1所述的光學半導體器件，進一步包括光波導，其用于將光從所述半導體薄膜的側面施加到所述半導體薄膜的被施加電場的所述區(qū)域。
9.如權利要求
1所述的光學半導體器件，其中所述電磁波的頻率范圍在30GHz到30THz之間。
10.一種感測器件，其包括電磁波發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生電磁波；所述電磁波發(fā)生裝置具有有光電導性的半導體薄膜和用于在大致垂直于所述半導體薄膜的表面的方向向該半導體薄膜的內(nèi)部施加電場的電極對；所述半導體薄膜在其被施加電場的區(qū)域中接收光以產(chǎn)生電磁波；以及電磁波探測裝置，用于探測電磁波，其中，感測由電磁波傳輸路徑中的對象引起的電磁波傳播狀態(tài)的改變。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種光學半導體器件，其包括具有光電導性的半導體薄膜(4)和用于在大致垂直于所述半導體薄膜(4)的表面的方向向所述半導體薄膜(4)內(nèi)部施加電場的電極對(5)和(10)，其中，當光作用于所述半導體薄膜(4)的被施加了電場的區(qū)域時，所述半導體薄膜(4)產(chǎn)生電磁波。所述電極被設置在所述半導體薄膜(4)的前表面和背面，其間夾著所述半導體薄膜。
文檔編號G01N22/00GK1993869SQ200580025643
公開日2007年7月4日 申請日期2005年7月28日
發(fā)明者尾內(nèi)敏彥, 井辻健明, 笠井信太郎 申請人:佳能株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan