专利名称：具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线的制作方法
技术领域：
本发明属于超高速电子学领域、超快光学领域及太赫兹科学与技术领域的交叉学科，涉及一种具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线。
背景技术：
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz IOTHz (波长在3mm 30um)范围内的电磁辐射。与其他波段相比，太赫兹电磁波具有其独特的性能，如瞬态性、宽带性、相干性和低能性等，在物体成像、医疗诊断、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。光电导天线的辐射机制是激光脉冲激发的光生载流子在外加偏置电场和内建电场的作用下加速运动，从而在光电导材料的表面产生瞬变光电流，从而向外福射太赫兹脉冲。然而传统的光电导天线均采用肖特基接触电极，导致电场不均匀地分布在电极间隙间，因此太赫兹辐射强度与激光照射位置和激光光束的尺寸有关。在相同偏置电压下，当采用聚焦半径较小的激光束照射电场分布较强的阳极附近区域时，太赫兹波的幅值将成倍增加；但是，随着激光束直径的减小电场屏蔽效应增强，导致天线的发射效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，解决现有光电导天线发射效率低的问题。本发明的目的是这样实现的，具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，包括半绝缘砷化镓基片，半绝缘砷化镓基片上为正、负两个AuGeNi合金电极，半绝缘砷化镓基片可视为阻值较大的电 阻Rcafc，两个AuGeNi合金电极与基片材料的接触电阻可视为两个阻值较小的电阻Ra ，电阻ReaAs与两个电阻Ram串联<< ReaAs，电阻ReaAs的阻值为从几兆欧到几百兆欧，Rohlll的阻值小于I欧姆。本发明的特点还在于:分别考虑了不同规格的具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，正、负电极之间的间隙范围为50 μ m-200 μ m。半绝缘砷化镓基片是利用液拉直封法制备的(100)晶向的S1-GaAs，其电阻率高于107Ω.cm ；AuGeNi合金电极是通过电子束蒸发或磁控溅射在半绝缘砷化镓基片上分别沉积 20-1OOnm 的 Ni，50_500nm 的 Au，20-1OOnm 的 Ge 和 50-1OOnm 的 Au，再在 300°C -400°C的温度范围内快速退火1-2分钟使其合金化。本发明具有如下有益效果:本发明具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，通过天线电极的欧姆接触，增加了光电导天线的击穿电场，同时使天线中的电场分布基本或全部覆盖了整个电极间隙，随着单位面积的光生载流子密度的减小，库伦屏蔽效应和辐射场屏蔽效应得到了有效的控制，提高了天线的发射效率。相较于传统的光电导天线，本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的光电导天线的辐射效率和辐射功率得到了显著的提闻ο
图1为本发明具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线结构示意图；图2为本发明具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线的等效电路示意图；图3为传统的具有肖特基接触电极的GaAs光电导天线的等效电路示意图；图4为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的GaAs光电导天线和传统的具有Ti/Au电极的GaAs光电导天线的伏安特性曲线对比图；图5为传统的具有Ti/Au电极的电极间隙为200 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图6为传统的具有Ti/Au电极的电极间隙为100 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图7为传统的具有Ti/Au电极的电极间隙为50 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图8为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为200 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图9为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为100 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图10为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为50 μ m的GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线；图11为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为200 μ m的GaAs光电导天线在正弦交流偏置电压下辐射太赫兹波的振幅随光斑位置的变化曲线；图12为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为ΙΟΟμπι的GaAs光电导天线在正弦交流偏置电压下辐射太赫兹波的振幅随光斑位置的变化曲线；图13为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的电极间隙为50 μ m的GaAs光电导天线电极在正弦交流偏置电压下辐射太赫兹波的振幅随光斑位置的变化曲线；图14为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的GaAs光电导天线辐射太赫兹波的时域波形(实线)和传统的具有Ti/Au电极的GaAs光电导天线辐射太赫兹波的时域波形(虚线)。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。参见图1，本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，包括半绝缘砷化镓基片，半绝缘砷化镓基片上为正、负两个AuGeNi合金电极，半绝缘砷化镓基片可视为阻值较大的电阻Rcafc，两个AuGeNi合金电极与基片材料的接触电阻可视为两个阻值较小的电阻IW电阻ReaAs与两个电阻Ram串联，Rohlll << ReaAs。电阻ReaAs的阻值为从几兆欧到几百兆欧，而Rtfcll的阻值小于I欧姆。由于Rta << RGaA, ^-可忽略。光电导天线的基片材料是利用液拉直封法制备的(100)晶向的S1-GaAs，其电阻率高于107Ω -Cm0在基片上使用 光刻技术制备电极图案；然后通过电子束蒸发或磁控溅射在基片上分别沉积 20-100nm 的 Ni，50_500nm 的 Au, 20_100nm 的 Ge 和 50_100nm 的 Au ;最后在300°C _400°C的温度范围内快速退火1-2分钟使其合金化，即可制备得到具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘砷化镓光电导天线。图2为本发明具有欧姆接触电极的光电导天线的等效电路示意图。图中ReaAs为S1-GaAs基片的等效电阻，Rohm为AuGeNi电极等效电阻，由于电阻ReaAs与两个电阻Rfflim串联，且，偏置电压几乎全部加在电极间隙上，因此相较于传统光电导天线，本发明的电场强度得到大幅度提高。图3为传统的具有肖特基接触电极的光电导天线的等效电路示意图。图中Rgsas为S1-GaAs基片等效电阻，SD表不Ti/Au电极与基片的接触看做肖特基_■极管，由于肖特基_■极管的反向击穿电压高达几十伏，未被击穿之前，肖特基结上也分得了很高的电压，因此电极间隙获得的分压较小，电场强度较小。附图4为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线和传统的具有Ti/Au电极的半绝缘GaAs光电导天线的伏安特性曲线对比图。用Agilent4155C半导体参数分析仪测试天线的伏安特性，具有AuGeNi合金电极的半绝缘GaAs光电导天线呈现良好的线性(线I) JlWAuGeNi合金电极与基体材料形成了良好的欧姆接触；而具有Ti/Au电极的半绝缘砷化镓天线的伏安曲线中在-0.8V -1.3V和0.8V 1.3V间，电流因为正向偏置的肖特基二极管击穿而发生突变，另外一个电流突变是由于在-57V处反向偏置的肖特基二极管击穿而引起(虚线)，说明Ti/Au电极与基体材料形成肖特基接触。肖特基节在击穿之前要分得较高的电压，这样基体材料上分得的电压降低，从而导致天线辐射THz波的功率降低。AuGeNi欧姆接触的电阻小，同样的偏置电压下，基体材料上分得的电压高，天线辐射THz波的功率高。图5-图13为天线辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线，由于天线辐射太赫兹波的幅值与天线中的电场成正比，也即反应了天线中电场的分布。其中，左电极(阳极)的右边缘处位置为O处。图5、图6、图7是传统的具有`Ti/Au电极的半绝缘GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线，也是偏置电场的分布曲线。由图知，电场不均匀地分布在两电极之间，主要电场分布在阳极附近的狭小区域。图8、图9、图10是本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线在直流偏置电压下辐射太赫兹波的幅值随光斑位置的变化曲线，也是偏置电场的分布曲线。由图知，虽然阳极附近电场略有增强，但由于电极与基片材料形成欧姆接触，天线中电场的分布更加均匀。图11、图12、图13是本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的的半绝缘GaAs光电导天线在正弦交流偏置电压下辐射太赫兹波的振幅随光斑位置的变化曲线，也是该偏置电压下偏置电场的分布曲线。相较于直流偏置电压的电场分布图，正弦交流偏置电压的电场分布更均匀。图14为本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线和传统的具有Ti/Au电极的半绝缘GaAs光电导天线辐射的太赫兹波的时域波形。两天线具有相同的电极结构，电极间隙均为200 μ m，在偏置电压均为120V直流电压，用直径为200 μ m的聚焦激光束照射具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，用直径为20 μ m聚焦激光束照射具有Ti/Au电极的半绝缘GaAs光电导天线，两束激光的功率相同。测试结果见图14，从其太赫兹波幅值对比可知本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线产生的太赫兹幅值是传统的具有Ti/Au电极半绝缘GaAs光电导天线产生太赫兹幅值的3.5倍，表明欧姆接触电极可以显著提高光电导天线的辐射效率。原因是在Ti/Au电极的半绝缘GaAs光电导天线中为了获得较高的电场强度，需要将激光聚焦成直径为20 μ m的光斑，照射到阳极附近的狭小区域，然而随着激光束尺寸缩小导致屏蔽效应增强。本发明中具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线的电场较均匀地分布在整个电极间隙，采用光斑直径为200 μ m的较大的光斑覆盖电极照射，随着单位面积载流子浓度的减小，屏蔽效应减小，获得了较高的发射效率。本发明具有欧姆接触电极的光电导天线，提高了电极间隙的电场强度、改善了电场分布以及减小了屏蔽效·应，从而提高了光电导天线的辐射效率和辐射功率。
权利要求
1.具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，其特征在于:包括半绝缘砷化镓基片，半绝缘砷化镓基片上为正、负两个AuGeNi合金电极，半绝缘砷化镓基片可视为阻值较大的电阻RcaAs，两个AuGeNi合金电极可视为两个阻值较小的电阻Rfflim,电阻ReaAs与两个电阻Rotal串联，Rohm << ReaAs，电阻ReaAs的阻值为从几兆欧到几百兆欧，Rohm的阻值小于I欧姆。
2.如权利要求1所述的具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，其特征在于:所述正、负两个AuGeNi合金电极之间的间隙为5 μ m_200 μ m。
3.如权利要求1所述的具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，其特征在于:所述半绝缘砷化镓基片是利用液拉直封法制备的(100)晶向的S1-GaAs，其电阻率高于IO7Ω -cm ;AuGeNi合金电极是通过电子束蒸发或磁控溅射在半绝缘砷化镓基片上分别沉积20-1OOnm 的 Ni，50_500nm 的 Au, 20-1OOnm 的 Ge 和 50-1OOnm 的 Au,再在 300°C -400°C 的温度范围内 快速退火使其合金化。
全文摘要
具有欧姆接触电极的半绝缘GaAs光电导天线，包括半绝缘砷化镓基片，半绝缘砷化镓基片上为正、负两个AuGeNi合金电极，半绝缘砷化镓基片可视为阻值较大的电阻RGaAs，两个AuGeNi合金电极可视为两个阻值较小的电阻ROhm，电阻RGaAs与两个电阻ROhm串联，ROhm＜＜RGaAs。本发明通过天线电极的欧姆接触，增加了光电导天线的击穿电场，同时使天线中的电场分布基本或全部覆盖了整个电极间隙，随着单位面积的光生载流子密度的减小，库伦屏蔽效应和辐射场屏蔽效应得到了有效的控制，提高了天线的发射效率。相较于传统的光电导天线，本发明具有AuGeNi合金欧姆接触电极光电导天线的辐射效率和辐射功率得到了显著的提高。
文档编号H01Q1/22GK103236591SQ20131012379
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日
发明者侯磊, 董陈岗, 杨汇鑫, 施卫, 陈素果, 闫志巾 申请人:西安理工大学, 东莞市五峰科技有限公司