Многослойный материал для фотопроводящих антенн
LAMINATED MATERIAL FOR PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А3В5, используемым для изготовления фотопроводящих антенн (ФПА). Такие материалы обладают свойством фотопроводимости, а ФПА на их основе предназначены для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого (ТГц) диапазона. Предложенная конструкция фотопоглощающих слоев позволяет повысить эффективность ФПА за счет достижения компромиссного соотношения между подвижностью фотовозбужденных носителей заряда, их временем жизни и темновым током ФПА.
-12
g
Для генерации ТГц излучения наибольшую распространенность получили методы, основанные на оптико-ТГц преобразовании. Все эти методы используют различные эффекты, возникающие при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с кристаллами. Это может быть как генерация разностной частоты за счет нелинейного преобразования лазерного импульса в кристалле или излучение, связанное с динамикой фотовозбужденных электронов в полупроводнике. К последнему типу относится ФПА, в которой ультракороткий лазерный импульс длительностью около 100 фс поглощается в функциональных (формирующих полезный сигнал) фотопроводящих слоях и появившиеся фотоэлектроны приводят к сверхбыстрому переключению ФПА в проводящее состояние. Генерация ТГц импульса происходит за счет практически мгновенного всплеска и последующей сверхбыстрой рекомбинации фотоэлектронов в диапазоне нескольких пикосекунд (10 с). Мощность этого импульса зависит, в том числе, от величины отношения фототока к темновому току и значения приложенного к электродам ФПА электрического поля. Соответственно, эффективность ФПА существенно зависит от свойств функциональных слоев. Основными параметрами функциональной области является ширина запрещенной зоны (E) фотопоглощающего слоя, время жизни фотовозбужденных носителей заряда и их подвижность в нем. Ширина запрещенной зоны определяет возможность работы в выбранном диапазоне накачки, т.е. коэффициент поглощения лазерных импульсов. Паразитный темновой ток в антенне зависит от концентрации равновесных электронов (прямо пропорциональной времени жизни) и подвижности, в то время как полезный фототок будет определяться дозой поглощенного импульса накачки и той же величиной подвижности. Таким образом, наилучшим сочетанием характеристик фотопоглощающего слоя для изготовления ФПА будет минимальное время жизни и как можно бóльшая подвижность носителей заряда для заданной длины волны накачки. Поскольку эти характеристики являются конкурирующими, то при выборе фотопоглощающего слоя необходимо правильно подобрать компромисс между временем жизни и подвижностью в зависимости от решаемой задачи.
g
В патенте [US9147789B2], принятом за прототип, описывается сверхрешеточная фотопроводящая структура с ФПА на ее поверхности. Структура представляет собой совокупность повторяющихся слоев, сформированных один на другом на полупроводниковой подложке. Каждый повторяющийся элемент структуры состоит из трех полупроводниковых слоев: фотопоглощающего слоя под нужную энергию накачки, и двух окружающих его сверху и снизу граничных слоев с E большей, чем у фотопоглощающего слоя. Граничные слои при этом содержат глубокие примеси для захвата носителей заряда из фотопоглощающего слоя и последующей рекомбинации при поперечном транспорте электронов через структуру к электродам ФПА. Такая сверхрешеточная конструкция обеспечивает хорошее соотношение между подвижностью фотоэлектронов и их временем жизни за счет пространственного разделения фотопоглощающих слоев с высокой подвижностью и широкозонных слоев с рекомбинационными ловушками. Использование широкозонных барьерных слоев также является и основным недостатком. Они не участвуют в поглощении импульса накачки, что влечет за собой увеличение суммарной глубины поглощения и, соответственно, расстояния, которое нужно преодолеть фотоэлектронам для того, чтобы достичь электродов ФПА за время ТГц импульса. Величина фототока оказывается в итоге меньше, чем при использовании функциональной области, поглощающей по всей толщине.
18
-3
g
g
Существует много различных подходов к повышению эффективности ФПА, направленных как на улучшение различных характеристик ФПА, так и модификацию функциональных слоев фотопроводящей структуры. Для улучшения характеристик ФПА применяются: исследование различных топологий антенны [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 антенны [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 оптических наноантенн [EP2438410B1] или плазмонной решетки [US8785855B2]. Более универсальным способом является исследование и разработка технологии и/или конструкции функциональных слоев, поскольку далее фотопроводящую структуру можно использовать совместно практически с любой конструкцией ФПА. Наибольшее распространение получили различные модификации объемных материалов, такие как низкотемпературный или имплантированный ионами GaAs и InGaAs [A. Krotkus. Semiconductors for terahertz photonics applications // J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 43, 2010, p. 273001], [J. Mangeney. THz Photoconductive Antennas Made From Ion-Bombarded Semiconductors // J. Infrared Milli. Terahz. Waves, Vol. 33, 2012, pp. 455–473]. Невозможность совместить в одном слое объемного материала высокую подвижность и малое время жизни привело к появлению более перспективных функциональных слоев на основе различных многослойных и сверхрешеточных структур, которые обладают гораздо большей вариативностью. В патенте [US4975567A] была предложена конструкция широкополосного фотодетектора, состоящая из периодической структуры GaAs/AlGaAs на подложке GaAs, в которой толщина слоев GaAs последовательно уменьшается от подложки к поверхности таким образом, чтобы изменение расстояния между уровнями размерного квантования в этих слоях обеспечивали поглощение излучения накачки в широком диапазоне длин волн. Применение такой структуры ограничено только детектированием электромагнитного излучения, а фотодетектор на ее основе будет обладать небольшой чувствительностью из-за малого количества слоев GaAs, работающих в пределах одной узкой частотной полосы. В патенте [US7339718B1] описывается ТГц излучатель на основе полупроводниковой структуры, использующий нелинейное оптическое преобразование с понижением частоты оптического импульса. Структура представляет собой чередующиеся в плоскости подложки слои GaAs с инвертированной кристаллической ориентацией. Инвертирование достигается за счет эпитаксиального роста GaAs на тонком слое Ge с дальнейшим травлением промежутков между слоями GaAs на Ge вместе с Ge и последующим заращиванием слоем GaAs. В результате на подложке GaAs формируются чередующиеся кристаллические домены из GaAs на Ge, имеющие одну кристаллическую ориентацию и домены GaAs на GaAs, имеющие инвертированную ориентацию. Период структуры может варьироваться от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров, а высота до 500 мкм. Инвертирование доменов позволяет “перефазировать” оптическое и ТГц излучение, проходящее вдоль чередующихся кристаллических доменов, обеспечивая понижение частоты оптического импульса на гораздо больших длинах вдоль оси распространения. Этот метод чрезвычайно сложен в изготовлении рабочей структуры, а общая эффективность генерации ТГц излучения ограничена строго фиксированными параметрами нелинейности кристалла. В патенте [US10453680B2] предлагается изготовить ФПА на основе фотопроводящей структуры, состоящей как минимум из одного фотопоглощающего слоя, легированного атомами переходного металла (например, железа) с концентрацией ~ 1×10 см. Профиль легирования при этом выбирается таким образом, чтобы в фотопоглощающем слое образовалось множество точечных дефектов. Похожая конструкция фотопроводника для передачи и/или приема электромагнитных волн ТГц диапазона предлагается в патенте [US10490686B2], однако фотопроводник разделяется на две области. Вторая область содержит бóльшую концентрацию ловушек для носителей заряда и обе области рассчитаны и размещены друг относительно друга таким образом, что максимум плотности вероятности для электронов в основном состоянии находится в области 2, а максимум плотности вероятности для фотовозбужденных электронов находится в области 1. Это приводит к тому, что в отсутствие оптического импульса накачки равновесные электроны находятся в малоподвижной ловушечной области 2 и дают минимальный вклад в темновую проводимость, а фотовозбужденные оптическим импульсом электроны локализуются в высокоподвижной области 1, после чего релаксируют с последующей рекомбинацией через ловушки в области 2. Ловушки в слое формируются за счет легирования атомами переходных металлов, а локализация максимумов плотностей вероятности обеспечивается с помощью квантово-механического расчета конструкции фотопроводящей структуры. Помимо повышенных требований к технологическому оборудованию для изготовления таких сложных фотопоглощающих слоев из-за необходимости легирования атомами переходных металов, главным недостатком можно считать использование сверхрешеточной конструкции слоев. Локализация плотности вероятности и “запирание” электронов в нужных областях происходит из-за размещения широкозонных слоев с бóльшей E вокруг слоев с меньшей E. Широкозонные слои не участвуют в формировании фотовозбужденных электронов, что приводит к увеличению глубины поглощения и, соответственно, уменьшению фототока.
Техническим результатом изобретения является универсальная, адаптируемая к любой системе ТГц спектроскопии и не требующая особых условий изготовления многослойная конструкция фотопроводящих слоев, обеспечивающая уменьшение времени жизни носителей заряда и темнового тока при сохранении достаточно высокой подвижности.
x
1-x
y
1-y
g
0,53
0,47
g
g
0,82
0,18
a
а
Технический результат достигается за счет использования многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев InAlAs/InGaAs, эпитаксиально выращенных в определенном диапазоне температур. Оба слоя при этом являются фотопроводящими. Поглощение оптического импульса накачки в каждом слое обеспечивается с помощью использования таких значений (x) и (y), при которых каждое соединение имеет одинаковую E, которая при этом меньше или сравнима с энергией оптического фотона накачки. Важно, что параметры решетки (у) таким образом подобранных материалов будут отличаться, что во время роста приведет к возникновению упругих напряжений в слоях. К примеру, использующееся для накачки лазером с длиной волны 1550 нм соединение InGaAs имеет E = 0,74 эВ и параметр решетки  = 5,8687 A, в то время как аналогичное значение E будет иметь соединение InAlAs с  = 5,7328 А. Эффективность предложенной многослойной конструкции определяется несколькими факторами. Оптический импульс поглощается по всей толщине во всех слоях структуры, позволяя полностью использовать приповерхностные области функциональных слоев для возбуждения фотоэлектронов и достижения максимального фототока. Одновременно с этим сохраняется пространственное разделение слоев с высокой подвижностью (InGaAs) и слоев с рекомбинационными центрами (InAlAs), что позволяет удержать достаточно высокую подвижность электронов. Рекомбинационные центры в InAlAs возникают во время эпитаксиального роста в диапазоне температур 300–500 °С благодаря кластеризации из соединений InAs и AlAs [J. E. Oh, P. K. Bhattacharya, Y. C. Chen, O. Aina, and M. Mattingly. The Dependence of the Electrical and Optical Properties of Molecular Beam Epitaxial In0.52Al0.48As on Growth Parameters : Interplay of Surface Kinetics and Thermodynamics // J. Electron. Mater., Vol. 19, No. 5, 1990, pp. 435–441], что приводит к сильному рассеянию электронов на неоднородностях состава и увеличению скорости рекомбинации. Помимо этого, упругие напряжения в кристалле из-за рассогласования параметров решетки, приводят к увеличению шероховатости интерфейса на границе между слоями InGaAs и InAlAs [Y.C. Chen, P.K. Bhattacharya, J. Singh. Strained layer epitaxy of InGaAs by MBE and migration enhanced epitaxy – comparison of growth modes and surface quality // Journal of Crystal Growth. Vol. 111, No. 1-4, 1991, pp. 228–232], что также повышает скорость рассеяния электронов при поперечном транспорте через структуру и уменьшает время жизни.
Пример 1
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии либо газовой эпитаксии из металлоорганических соединений выращивается многослойная структура, состоящая из функциональных слоев InGaAs/InAlAs с суммарной толщиной от 150 нм до 1 мкм при температуре роста от 300 до 500 °С. При этом:
1) Используется подложка GaAs или InP с кристаллической ориентацией в плоскости (100);
x
1-x
y
1-y
2) Состав функциональных слоев InGaAs и InAlAs рассчитывается таким образом, чтобы иметь одинаковую ширину запрещенной зоны, позволяющую поглощать оптическое излучение с длиной волны 1,0-1,56 мкм;
3) Толщина каждого фотопоглощающего слоя находится в диапазоне 2-20 нм;
4) В случае использования подложки GaAs перед эпитаксиальным ростом фотопоглощающих слоев формируется переходный метаморфный буфер для согласования параметров решетки подложки и одного из функциональных слоев.