CN112997333B - 耿氏二极管和用于生成太赫兹辐射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耿氏二极管，所述耿氏二极管包括第一接触层(110)和第二接触层(120)、有源层(130)、衬底(140)和用于激光器(50)的光学输入端(150)；所述有源层(130)基于氮化镓(GaN)基半导体材料，所述有源层(130)形成于第一接触层(110)和第二接触层(120)之间；所述有源层(130)连同所述第一接触层(110)和所述第二接触层(120)形成在所述衬底(140)；所述光学输入端(150)用以通过激光照射促进或触发所述有源层(130)的能量带的极值(210、220)之间的电荷载流子转移。

Description

耿氏二极管和用于生成太赫兹辐射的方法

技术领域

本发明的示例性实施例涉及一种耿氏二极管、一种用于生成太赫兹辐射(THz辐射)的开关、和一种用于生成THz辐射并且特别地以激光照射和场板技术在GaN耿氏二极管上生成THz辐射的方法。

背景技术

耿氏效应已成功地用于GaAs或InP基半导体元件中以生成高频信号。这些半导体材料具有材料性质，诸如能带过程、电荷载流子速度和可迁移率，这些特性引发了耿氏效应的电子转移。

通过适当布线(例如，施加对应供应电压)使电子在二极管中成批地(诸如波)积累和迁移，耿氏二极管利用了这种效应。这继而导致电磁波根据该频率的生成和随后辐射。

特别对于极高频率(例如，在太赫兹范围内)，已知GaAs基半导体元件具有一系列缺点。这些缺点是有原因的，因为电子的饱和速度和电子转移时间对于这些高频来说太低了。因此，这些半导体元件很难用于太赫兹范围内的频率。此外，所谓“电子转移效应”的阈值电场强度或能带隙对于高输出功率来说太小了。

因为还存在对于THz辐射源的渐增需求，所以可期望的是找到GaAs基半导体元件的替代品。

发明内容

上述问题的至少一部分通过根据权利要求1所述的耿氏二极管，通过根据权利要求10所述的开关和根据权利要求14所述的方法来解决。从属权利要求限定了独立权利要求的主题的其它有利实施例。

本发明涉及一种耿氏二极管，该耿氏二极管具有第一接触层、第二接触层、有源层、衬底和光学输入端。有源层基于氮化镓(GaN)基半导体材料(例如，Al_x In_y Ga_(1-x-y)N)，并且形成于第一接触层和第二接触层之间。

有源层连同第一接触层和第二接触层形成于衬底上。光学输入端形成用于接收激光，以通过激光照射促进或触发有源层的能带之间的电荷载流子转移。

用于有源层的GaN基半导体材料可特别地包括以下项：二元化合物半导体(即，GaN)、三元化合物半导体(例如，AlGaN、InGaN)或四元化合物半导体(例如，AlInGaN)或具有甚至更多组分的其它化合物半导体，但GaN作为一种成分。

衬底任选地包括下述材料的一者：氮化镓、硅、碳化硅。

任选地，耿氏二极管还包括阳极触点(阳极电极)和阴极触点(阴极电极)。相比于有源层，第一接触层和/或第二接触层可为相同基体材料的较高掺杂区域。阳极触点可任选地形成于衬底的后侧上，使得其经由衬底(电气地)连接至第一接触层。阴极触点可电气地接触第二接触层。例如，第一接触层和第二接触层包括1x 10¹⁸cm^-3至5x 10¹⁸cm^-3的范围内的掺杂，并且阳极触点包括至少10²⁰cm^-3的掺杂。有源层也可进行掺杂以生成期望带结构。任选地，第一接触层可由衬底形成。在本发明不限于此的情况下，掺杂可例如以硅来进行(然而，许多其它材料为可能的)。

任选地，耿氏二极管还包括冷却本体(有源或无源)，该冷却本体具有相比于衬底的较高导热性，以形成散热片。有源层与冷却本体的热连接可经由衬底来产生。

任选地，耿氏二极管还包括场板，该场板特别地具有金属，其中有源层形成于场板和衬底之间，而未在场板上横向地突出。场板引起耿氏二极管的有源范围内的场的均匀化。因此，特别地，角部和边缘处的场增强得以避免(例如，耿氏二极管的边缘处)。场板可例如具有铬或金或另一种材料或其多个层。

任选地，耿氏二极管还包括钝化层，该钝化层以有源层连同第一接触层和第二接触层形成在钝化层和衬底之间的方式来布置。

任选地，光学输入端通过对于激光透明的材料来形成。特别地，下述元件的至少一者可以对于激光透明的材料来形成：

-第一接触层，

-第二接触层，

-钝化层。

这些层或其部分还可形成为波导以将激光辐射馈送至有源层。

示例性实施例还涉及用于以如上文已描述的耿氏二极管生成太赫兹辐射的开关。开关还可具有激光器(例如，作为整体部件)，其中激光器耦合光学输入端并且形成用以生成连续激光束或脉冲激光束。这样，还可生成连续或脉冲THz光束。类似地，控制单元可提供用以启动激光器和/或耿氏二极管。

激光器可例如生成红外光或紫外光。然而，激光器还可在可视光谱范围内操作。任选地，激光器进行脉冲化并且具有纳秒范围或皮秒范围或飞秒范围的激光上升时间，以从而触发期望THz辐射。

示例性实施例还涉及一种太赫兹辐射源，该太赫兹辐射源具有先前所描述开关和(集成)天线。

示例性实施例还涉及一种用于生成太赫兹辐射的方法。该方法包括：

-将供应电压施加至耿氏二极管，如上文已描述；和

-以激光束照射该耿氏二极管以触发或支持耿氏二极管的有源层中的电荷载流子转移。

任选地，例如当激光束进行脉冲化时，供应电压可永久性地施加。例如，当利用连续激光束时，供应电压还可具有工作频率。

附图说明

本发明的示例性实施例将基于不同示例性实施例的下述具体实施方式和附图而更佳地理解；然而，这些示例性实施例不应理解成使得它们将本公开限制于具体实施例，而是它们仅用于解释和理解目的。

图1根据本发明的示例性实施例示出了耿氏二极管。

图2示出了耿氏效应，该耿氏效应发生于某些半导体材料中并且根据示例性实施例用于生成THz辐射。

图3示出了具有其它任选元件的耿氏二极管的另一示例性实施例。

图4示出了耿氏二极管的另一示例性实施例。

图5通过实例的方式示出了根据示例性实施例的耿氏二极管的阵列生产。

图6根据本发明的示例性实施例示出了用于生成THz辐射的方法的流程图。

具体实施方式

图1根据本发明的示例性实施例示出了耿氏二极管。

耿氏二极管包括：第一接触层110、第二接触层120和有源层130，有源层130基于氮化镓(GaN)基半导体材料，有源层130形成于第一接触层110和第二接触层120之间。耿氏二极管还包括衬底140和用于激光器50的光学输入端150；有源层130连同第一接触层110和第二接触层120形成在衬底140上，光学输入端150用以通过激光照射促进或触发有源层130的能带的极值(电子的最小值；空穴的最小值)之间的电荷载流子转移。

第一接触层110或第二接触层120可形成阳极触点，或因此可电气地连接。阴极触点然后电气地连接至相应其它接触层，或其形成所述接触层。有源层130和任选地接触层110、120也可以或多或少强掺杂(p掺杂或n掺杂)来形成。GaN基半导体材料可具有其它元素，该其它元素选择性地引入以进一步促进下文所描述的效应。

图2示出了耿氏效应，该耿氏效应发生于某些半导体材料中并且根据示例性实施例用于生成THz辐射。对应半导体材料的能带以低能量距离具有相对最大值或最小值。例如从价带激发至传导带中的电子(或甚至空穴)优选地位于传导带的第一最小值210(例如，所谓γ谷的绝对最小值)。如果电场中的示例性电子达到在第一最小值210和第二(相对)最小值220(例如，所谓X谷)之间的能量微分范围内的能量，那么它们将通过散射(例如，光学声子)转移至相邻最小值220中(参见第一跃迁211)。电场可例如通过施加电压来生成。因为这些材料的示例性电子在相邻最小值(所谓侧谷(由于能带曲率))中具有高有效质量，所以它们在其中具有较低迁移率。为此，尽管电压增加，但电流显著地下降。也就是说，得到负微分电阻。

根据示例性实施例，由于耿氏二极管通过激光器来照射，从γ谷210至X谷220的跃迁得以进一步促进。因此，γ谷210中的电荷载流子接收额外能量，该额外能量与激光束的频率f成比例(E_光子＝h*f)。该能量吸收250促进至X谷220的跃迁。如果第一跃迁211表示无激光激发的跃迁，那么第二、第三和第四跃迁212、213、214则通过频率增加的吸收能量250得以促进。

示例性实施例利用这种方式来通过激光束触发跃迁或至少支持该跃迁，使得在短时间内使尽可能多的电荷载流子参与跃迁。

由于功率的快速下降，这些元件可用作开关。相比于常规GaAs开关(例如，GaAs光开关或GaAs光导体)，根据示例性实施例，示例性电极未从价带或价带和传导带之间的“深层”传输至传导带。事实上，激光照射使电子从传导带中的γ谷210(第一最小值)转移至卫星谷220(同样处于传导带中)。

这种方式的基本优点是，这种转移可在(亚)皮秒(10ps或1ps以下)内进行。因此，得到功率的极快变化，并且元件因此可用于生成THz辐射。

因此，根据示例性实施例的激光照射用于触发和/或加速GaN耿氏二极管的THz辐射。因此，稳定性得以增加，并且宽带THz光束(50GHz至更多THz)的生成为可能的。为此，连续激光束和/或脉冲束可以纳秒、皮秒或飞秒周期来使用，以引起/递送电子转移效应(耿氏效应)。因此，脉冲束提供了实现极快电子转移效应的优点。

图3示出了另一个示例性实施例，其中耿氏二极管的层叠堆(第一接触层110、第二接触层120、有源层130)通过(阴极)电极125接触于衬底140上。电极125就本身而言接触场板170，场板170在耿氏二极管的层叠堆110、120、130上延伸，使得层叠堆110、120、130形成于衬底140和场板170之间并且通过施加电压暴露于电场。

如同场板170，电极125例如具有金属(一个或多个层)。场板170可例如具有铬或金。钝化层160形成于场板170和层叠堆110、120、130之间，并且实现了耿氏二极管的场板170和层110、120、130之间的电气绝缘。

任选地，可能的是，钝化层160用作光波导，以将激光束沿着钝化层160引导至耿氏二极管的层叠堆110、120、130。任选地，还可能的是，衬底140或接触层110、120的一者或多者或其部分形成为透明的，以沿着这些层传导激光。因此，这些层的一者可为光学输入端150的一部分或可表示光学输入端的所述部分。

关于THz辐射的生成，特别有利的是，氮化物材料适用于高得多的频率和功率。利用这些材料，可例如实现下述效应：

-电子的高饱和速度(例如，GaN高于GaAs 2倍以上)，

-所谓“电子转移效应”的高得多的电场阈值强度(GaN高于GaAs 50倍以上)，

-大能带隙，

-虽然基于GaAs和InP元件的信号源各自具有100GHz或200GHz(对于基模)的极限频率，但是GaN二极管的计算极限值为例如700GHz以上。

存在适于衬底140的许多材料。蓝宝石衬底上的耿氏二极管为可能的，尽管它们导致不同效应和问题。该问题包括例如电迁移效应和高串联电阻的发生率。然而，蓝宝石的低导热性通常使散热片的实施变得困难。这导致高直流损耗并且降低了可靠性。下述衬底为更适合的(例如，由于其良好导热性)：由GaN、SiC或硅制成的衬底。因此，特别地结合场板170，可实现稳定负微分电阻。

图4示出了本发明的一个示例性实施例，其中有源层130直接地形成于衬底140上并且衬底140本身或其区域充当例如第一接触层110。然而，在图4的示例性实施例中，示例性阳极电极115提供于衬底140下方(与有源层130相对)。功率通过衬底140传导至耿氏二极管。类似地，示例性阴极电极125形成于第二接触层120上。钝化层160形成于阴极电极125上和衬底140的突出区域上，如图3。在本示例性实施例中，场板未提供，但还可形成于钝化层160上方。

图4的示例性实施例还包括任选冷却本体180，冷却本体180形成为横向地邻近衬底140并且表示冷却片。冷却本体180可提供有源冷却(例如，风扇或珀尔帖效应(Peltier)元件)或无源冷却(例如，冷却翅片)。在此，热流在衬底140上朝向耿氏二极管或朝向有源层130进行。为此，当根据示例性实施例的衬底140具有GaN、Si或SiC(而非蓝宝石)时，该热流为特别有利的。

图5通过实例的方式示出了来自一个衬底上的耿氏二极管阵列的耿氏二极管的制备。通过实例的方式，在此示出了彼此分离的多个场板170，这些场板170形成于底层衬底140上。耿氏二极管本身各自在此作为突出部延伸自衬底140。

图6示出了用于生成THz辐射的方法的流程图。该方法包括以下步骤：

-将供应电压施加S110至耿氏二极管，如上文已描述；和

-以激光束照射S120该耿氏二极管以触发或支持耿氏二极管的有源层130中的电荷载流子转移。

供应电压可为恒定的，或以工作频率定时的。根据示例性实施例，还可能的是，耿氏效应通过脉冲激光束来触发；并且在这种情况下，供应电压可永久性地施加。

示例性实施例的优点可汇总如下：

-与常规GaAs开关相比，大得多的功率变化可稳定而快速地切换。

-因为输出功率与功率变化的平方成比例(P～AI²)，所以可生成具有高功率的THz辐射。

-还可生成宽带THz辐射(50GHz到多个THz的宽带)，其中集成宽带天线足以用于THz辐射的。

-利用场板技术，因为二极管边缘的寄生电场增强和电迁移效应最小化，所以耿氏二极管的均匀供电为可能的。在高场强的情况下，可防止元件由于阳极至阴极的电迁移效应的快速损坏，使得可靠性得以显著地增加。在二极管上利用场板技术，所需高电场强度更稳定地施加至耿氏二极管。

-在具有改善导热性(高于蓝宝石)的诸如GaN、Si和SiC的衬底上，GaN耿氏二极管可顺利地制备。因此，耿氏二极管中常见的高功率损耗可更佳地消失。

-新衬底(GaN、Si、SiC)上的耿氏二极管示出了稳定功率-电压特性曲线，该曲线具有良好负微分电阻。由于高导热性，散热片可以较大外触点来更佳地实现。

-可使用远大于阈值场强的场强。

-合适谐振器以及对应预加载和信号耦合装置的使用或集成可导致至多高THz频率的毫米波以高功率的生成。

激光辐射的优点：

-利用连续激光束(红外至紫外)，传导带中的电子可具有较大能量并且更易于执行电子转移效应(耿氏效应)。因此，耿氏二极管的所需操作电压减小。THz生成得以促进并稳定，但输出功率减小。

-利用纳秒范围的脉冲激光束(红外至紫外)，热生成可显著地受限制。同样，THz生成得以促进和稳定。GaN耿氏二极管可以单独产生的高压源来供电，脉宽为40纳秒。在脉冲激光束的情况下，供应电压可永久性地施加。

两种方法使原有GaN耿氏二极管稳定，并且工作频率可以外部谐振器来设定。脉冲激光器可以皮秒或飞秒范围的激光上升时间来使用。这允许极快电子转移效应。

因此，示例性实施例可特别地用于THz开关；类似于基于GaAs光开关或GaAs光导体的THz开关，该THz开关可通过快速功率变化生成THz光束。

因为用于制备和使用GaN耿氏二极管的示例性实施例使得极高THz频率和高输出功率(远高于GaAs和InP耿氏二极管)成为可能，所以在THz频率范围内，各种成像和光谱应用为可能的。

说明书、权利要求书和附图中所公开的本发明特征对于单独地和以任何组合实施本发明可为必需的。

附图标号的列表

50 激光器

110、120 接触层

115、125 电极(阴极触点/阳极触点)

130 有源层

140 衬底

150 光学输入端

160 钝化

170 场板

180 冷却本体

210、220 传导带的最小值211、212......传导带的最小值之间的跃迁

Claims (13)

1.一种耿氏二极管，具有：

第一接触层（110）和第二接触层（120）；

基于氮化镓（GaN）半导体材料的有源层（130），所述有源层（130）形成于所述第一接触层（110）和所述第二接触层（120）之间；

衬底（140），所述有源层（130）连同所述第一接触层（110）和所述第二接触层（120）形成在所述衬底(140)；和

用于激光器（50）的光学输入端（150），以通过激光照射促进或触发所述有源层（130）的能带的极值（210、220）之间的电荷载流子转移，其中所述光学输入端（150）由对于用于下述元件的至少一者的激光透明的材料形成：

-所述第一接触层（110），

-所述第二接触层（120），

-钝化层（160）；

其中，所述钝化层（160）以所述有源层（130）连同所述第一接触层（110）和所述第二接触层（120）形成在所述钝化层（160）和所述衬底（140）之间的方式来布置。

2.根据权利要求1所述的耿氏二极管，其中所述衬底包括下述材料的一者：氮化镓、硅、碳化硅。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的耿氏二极管，还包括阳极触点和阴极触点，

其中相比于所述有源层（130），所述第一接触层（110）和/或所述第二接触层为相同基体材料的较高掺杂区域，并且所述阳极触点经由所述衬底（140）电气地连接至所述第一接触层（110）并且所述阴极触点连接至所述第二接触层，和

其中所述第一接触层（110）和所述第二接触层（120）包括1 x 10¹⁸ cm^-3至5 x 10¹⁸ cm^-3的范围内的掺杂，和

所述阳极触点包括至少10²⁰cm^-3的掺杂。

4.根据权利要求1所述的耿氏二极管，其中所述第一接触层（110）由所述衬底（140）形成。

5.根据权利要求1所述的耿氏二极管，还包括冷却本体（180），所述冷却本体（180）包括相比于所述衬底（140）的较高导热性。

6.根据权利要求5所述的耿氏二极管，其中所述有源层（130）至所述冷却本体（180）的热连接经由所述衬底（140）来产生。

7.根据权利要求1所述的耿氏二极管，还包括由金属制成的场板（170），其中所述有源层（130）形成于所述场板（170）和所述衬底（140）之间，而未在所述场板（170）上横向地突出。

8.一种用于生成太赫兹辐射的开关，所述开关包括根据权利要求1所述的耿氏二极管。

9.根据权利要求8所述的开关，还包括所述激光器（50），所述激光器（50）能够耦合至所述光学输入端（150）并且形成用以生成连续激光束或脉冲激光束。

10.根据权利要求9所述的开关，其中，用于产生所述脉冲激光束的所述激光器（50）包括纳秒范围或皮秒范围或飞秒范围的激光上升时间。

11.一种太赫兹辐射源，包括集成天线和根据权利要求8所述的开关。

12.一种用于生成太赫兹辐射的方法，所述方法包括：

将供应电压施加（S110）至根据权利要求1至7中任一项所述的耿氏二极管；和

以激光束照射（S120）所述耿氏二极管以触发或支持所述耿氏二极管的有源层（130）中的电荷载流子转移。

13.根据权利要求12所述的方法，其中

当所述激光束脉冲化时，所述供应电压永久性地施加；或

当所述激光束为连续激光束时，以一工作频率施加。