Конструкция поверхностного ТГц излучателя Российский патент 2023 года по МПК H01L27/15 H01S1/02 H01L31/18 

Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А3В5, используемым для изготовления поверхностных излучателей терагерцевого диапазона (ТГц) на основе эффекта Дембера, а также фотопроводящих антенн (ФПА). Такие материалы обладают свойством фотопроводимости, а поверхностные излучатели и ФПА на их основе предназначены для генерации электромагнитных волн ТГц диапазона. Предложенная конструкция фотопоглощающих слоев позволяет повысить эффективность ТГц генерации за счет создания градиента напряженности встроенного поля на границе раздела между фотопоглощающим слоем и подложкой.

Принцип действия поверхностного ТГц излучателя основан на механизме оптико-ТГц преобразования, связанного с динамикой фотовозбужденных носителей заряда в полупроводнике за счет эффекта Дембера и/или встроенного (приповерхностного) поля. Эффект Дембера основан на возникновении электрического поля в объеме полупроводника за счет различных коэффициентов диффузии неравновесных электронов и дырок, появляющихся при поглощении ультракороткого лазерного импульса длительностью порядка 100 фс с энергией фотона, больше или равной величине ширины запрещенной зоны полупроводника. Разница в коэффициентах диффузии носителей за счет различной эффективной массы в кристалле полупроводника приводит к разделению заряда и появлению электрического диполя, осцилляции которого и отвечают за генерацию электромагнитного излучения ТГц диапазона. Таким образом, в отличие от ФПА для генерации не нужны электроды с приложенной разностью потенциалов, что дает поверхностным ТГц излучателям преимущество при изготовлении массивов или излучателей с большой площадью. Наибольшую эффективность генерации в таком режиме обеспечивают такие соединения, в которых имеется наибольшая разница в величине эффективных масс (и, следовательно, подвижностей) электронов и дырок. Лучшую эффективность генерации в поверхностном режиме имеет слабо легированный акцепторной примесью слой InAs (p-InAs).

Полупроводниковые структуры для поверхностной генерации за счет эффекта Дембера обычно представляют собой слой фотопоглощающего материала, размещенный на нелегированном буферном слое, состав которого соответствует составу полуизолирующей подложки GaAs или InP. Величина дипольного момента в таких излучателях практически полностью определяется характеристиками носителей в фотопроводниках. При этом важно, что из-за различия параметров решетки подложки и фотопроводника создание качественных слоев InAs с высокой степенью кристаллического совершенства представляет собой нетривиальную задачу. В то время как изготовление высококачественных слоев GaAs является хорошо отработанным процессом, который можно реализовать при наличии любых технологий синтеза полупроводниковых соединений. Однако слои на основе GaAs или низкотемпературного GaAs в основном используются для создания ФПА, в которых важна только величина подвижности электронов и очень ограниченно применяются для создания поверхностных излучателей из-за малого различия эффективных масс носителей заряда, что не дает сформировать достаточный дипольный момент. Значительно повысить эффективность поверхностного излучателя на основе GaAs до уровня p-InAs можно за счет создания электрического поля на границе между буферным слоем и фотопроводником, например, используя легированный буферный слой. Это позволит существенно увеличить дипольный момент и эффективность при использовании соединений на основе GaAs в качестве поверхностного ТГц излучателя.

В патенте [US7364993B2], принятом за прототип, описывается фотопроводящая структура с ФПА на ее поверхности. Структура представляет собой нелегированный гомоэпитаксиальный фотопроводящий слой GaAs или InGaAs, выращенный в специальных условиях и прошедший послеростовой отжиг при температуре около 475°С в течение определенного времени. Отжиг при такой температуре позволяет увеличить удельное сопротивление фотопроводника за счет образования преципитатов из избыточных атомов мышьяка, внедренных в кристаллическую решетку. После формирования двух электродов ФПА на поверхности структуры ее можно использовать для генерации или детектирования ТГц излучения в режиме с приложением напряжения смещения к электродам антенны. Хотя одиночная ФПА показывает достаточно высокую эффективность, ее использование ограничено эффектами экранирования напряжения смещения зарядом фотовозбужденного диполя, а также риском теплового или электрического пробоя. Для использования более предпочтительного в некоторых случаях поверхностного эмиттера подобные структуры не подходят из-за небольшого различия коэффициентов диффузии электронов и дырок и низкой эффективности эмиттера.

Существует множество направлений для оптимизации характеристик излучателей и приемников ТГц излучения, основанных на использовании ФПА. Некоторые из этих направлений включают в себя: исследование различных топологий ФПА [T. K. Nguyen, W. T. Kim, B. J. Kang, H. S. Bark, K. Kim, J. Lee, I. Park, T. Jeon, F. Rotermund. Photoconductive dipole antennas for efficient terahertz receiver // Optics Communications, Vol. 383, 2017, pp. 50–56]; поиск новых материалов для металлизации электродов ФПА [W. Shi, L. Hou, and X. Wang. High effective terahertz radiation from semi-insulating-GaAs photoconductive antennas with ohmic contact electrodes // Journal of Applied Physics, Vol. 110, 2011, p. 023111]; микроструктурирование зазора ФПА для формирования метаповерхности в виде массива наноантенн [EP2438410B1] или плазмонной решетки [US8785855B2]; использование в качестве фотопроводящих слоев сверхрешеточных структур на основе соединений InGaAs/InAlAs [US10490686B2] или содержащих квантовые точки InAs [WO2012110759A1]. Для поверхностных излучателей выбор таких направлений ограничен, поскольку ключевые параметры эффективности генерации определяются свойствами фотопроводящего материала. Несмотря на то, что генерация в поверхностном режиме возможна с использованием практически любого доступного соединения, например, GaAs, InP, InAs, InSb, наибольшую эффективность имеет слабо легированный мелкой акцепторной примесью слой InAs [R. Mendis, M. L. Smith, L. J. Bignell, R. E. M. Vickers, and R. A. Lewis, "Strong terahertz emission from (100) p-type InAs", Journal of Applied Physics 98, 126104 (2005)]. Комбинация высокой подвижности электронов и низкой подвижности дырок приводит к всплеску переходного тока за счет разделения зарядов и формирования диполя с большим дипольным моментом, осцилляции которого приводят к ТГц генерации. Из-за сильного несоответствия параметров решетки InAs со всеми широко используемыми подложками GaAs или InP, создание слоя InAs с высоким кристаллическим совершенством на таких подложках имеет определенные сложности или приводит к необходимости использования довольно редких и дорогих подложек InAs. Но низкая эффективность поверхностной генерации от других структур фактически не оставляет выбора в использовании материала и все основные направления улучшения характеристик направлены на модификацию поверхности или создание поверхностной структуры над фотопроводящим слоем для изменения диаграммы направленности излучения диполя. В [WO2010142313A1] предлагается создать на поверхности фотопроводящего слоя систему из одного или множества непрозрачных для излучения лазерной накачки элементов, например, из золота. Элементы могут представлять собой как планарные микрополосковые электроды, так и треугольные в сечении электроды с переменной толщиной. При накачке ультракоротким лазерным импульсом в такой геометрии, чтобы часть пучка перекрывалась непрозрачным элементом, обеспечивается резкая граница распределения плотности фотовозбужденных носителей заряда. Это приводит к развороту образующегося в результате фотовозбуждения диполя на 90° и его излучению преимущественно в направлении нормали к поверхности подложки, что значительно уменьшает потери и упрощает сбор ТГц излучения фокусирующей линзой. Такая система элементов может быть создана на поверхности любого фотопроводящего материала и слабо результативна в случае применения вместе с малоэффективным материалом как GaAs. Другой подход для разворота электрического диполя разработан в патенте [US7091506 B2]. В нем предлагается специальным образом структурировать поверхность полупроводника, чтобы она в сечении представляла собой периодическую структуру из прямоугольных равнобедренных треугольников, лежащих основанием на подложке. Для профилирования предлагается использовать GaAs или тефлоновую подложку. Во втором случае слой фотопроводящего материала InAs наносится только на одну из граней призмовидной поверхности тефлоновой подложки. Лазерное излучение накачки падает по нормали к одной из граней призмы (содержащую InAs в случае тефлоновой подложки), а образовавшийся в результате фотовозбуждения диполь будет излучать по нормали ко второй грани призмы. Если коэффициент преломления полупроводника равен n, то мощность ТГц излучения в такой структуре увеличивается в 2n² раз. Третья предложенная в этом же патенте конструкция направлена на повышение эффективности поглощения энергии в импульсе лазерной накачки. Для этого поверхность полупроводника профилируется в форме призмовидных структур с прямоугольным треугольником в сечении, ориентированном так, чтобы короткий катет находился на поверхности полупроводника. Лазерное излучение накачки ориентировано по нормали к поверхности полупроводника и падает под углом Брюстера на поверхность гипотенузы. Это позволяет свести практически к нулю отражение от поверхности и использовать всю энергию лазерного импульса накачки. Однако при этом не решается проблема ориентации диполя, которая в этом случае будет неоптимальной. Важно заметить, что с практической стороны подобное профилирование полупроводника или его нанесение на грань подготовленной тефлоновой подложки практически нереализуемо.

Техническим результатом изобретения является простая и универсальная конструкция фотопроводящих слоев, обеспечивающая существенное повышение эффективности ТГц генерации режиме поверхностного излучателя при работе в геометрии на пропускание и отражение.

Технический результат достигается за счет использования конструкции фотопроводящей структуры, в которой создается сильный градиент напряженности электрического поля на границе между буферным и фотопроводящим слоем. Электрическое поле реализуется за счет легирования буферного слоя атомами мелкой донорной примеси, например, кремния или олова до концентрации порядка 5×10¹⁸ см^-3. После поглощения сверхкороткого лазерного импульса накачки в фотопроводящем слое появляется неравновесная концентрация носителей заряда. В случае поверхностного излучателя за счет различных коэффициентов диффузии у электронов и дырок происходит разделение заряда с образованием электрического диполя. Осцилляции электрического диполя до момента затухания приводят к генерации излучения ТГц диапазона. Мощность излучения зависит от величины дипольного момента, который в традиционной фотопроводящей структуре почти целиком определяется параметрами фотопоглощающего слоя. Наличие электрического поля со стороны буферного слоя влияет на процесс разделения зарядов после фотовозбуждения и меняет характеристики формирующегося электрического диполя, увеличивая дипольный момент, что приводит к эффективному повышению мощности ТГц излучения в режиме поверхностного эмиттера. А небольшая толщина легированного буферного слоя порядка 200 нм не вносит существенного вклада в поглощение ТГц излучения и допускает возможность работы с образцом в геометрии на пропускание.

Пример 1

Методом молекулярно-лучевой эпитаксии либо газовой эпитаксии из металлоорганических соединений выращивается полупроводниковая структура, состоящая из фотопоглощающего слоя GaAs толщиной от 0,5 мкм до 1 мкм на буферном слое GaAs. При этом:

1) Используется подложка GaAs с кристаллической ориентацией (100);

2) Толщина легированного буферного слоя составляет 150 ÷ 250 нм;

3) Буферный слой легируется мелкой донорной примесью, например, кремнием или оловом;

4) Концентрация легирующей примеси составляет (3–5)×10¹⁸ см^-3;

Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А3В5, используемым для изготовления поверхностных излучателей терагерцевого диапазона (ТГц) на основе встроенного поля или эффекта Дембера, а также фотопроводящих антенн (ФПА). Способ изготовления материала для поверхностного излучателя, включающий формирование фотопроводящего слоя из GaAs, эпитаксиально выращенного на подложке из GaAs любой кристаллографической ориентации, при этом для согласования параметра решетки фотопроводящего слоя с подложкой используют переходной метаморфный буфер. Согласно изобретению перед формированием фотопроводящего слоя выращивают метаморфный буфер в виде слоя из GaAs толщиной 150-250 нм легированный мелкой донорной примесью с концентрацией (3-5)х10¹⁸ см^-3, а фотопроводящий слой из GaAs формируют толщиной 0,5-1 мкм. Техническим результатом изобретения является простая и универсальная конструкция фотопроводящих слоев, обеспечивающая существенное повышение эффективности ТГц генерации в режиме поверхностного излучателя при работе в геометрии на пропускание и отражение.

Способ изготовления материала для поверхностного излучателя, включающий формирование фотопроводящего слоя из GaAs, эпитаксиально выращенного на подложке из GaAs любой кристаллографической ориентации, при этом для согласования параметра решетки фотопроводящего слоя с подложкой используют переходной метаморфный буфер, отличающийся тем, что перед фотопроводящим слоем выращивают метаморфный буфер в виде слоя из GaAs толщиной 150-250 нм легированный мелкой донорной примесью с концентрацией (3-5)х10¹⁸ см^-3, а фотопроводящий слой из GaAs формируют толщиной 0,5-1 мкм.