[发明专利]基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料及其制备方法和光电导天线结构

说明书

本发明公开了一种基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料，包括半绝缘的半导体衬底以及依次设于所述半导体衬底上的下层半导体层、半金属层、上层半导体层。本发明还公开了一种基于半导体/半金属/半导体异质结的光电导天线结构，由基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料以及偶极天线组成。基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料无需低温生长，具有高晶体质量，由半导体/半金属之间的界面态以及半金属的价带提供快速弛豫通道，可在1550nm波段实现亚皮秒量级的超快弛豫；基于半导体/半金属/半导体异质结的光电导天线可用作1550nm激发的太赫兹光源和太赫兹探测器。

技术领域

本发明属于太赫兹波技术与光通讯领域，具体涉及一种基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料及其制备方法和光电导天线结构。

背景介绍

太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长在3～30μm)范围内的电磁辐射，在电磁频谱中位于微波与红外之间。太赫兹技术可广泛应用于半导体和高温超导体表征、生物传感、光谱学、宽带通讯、遥感、大气与环境监测以及医学诊断等领域。光电导天线是目前运用最广泛的脉冲太赫兹波发射器和探测器之一。太赫兹光电导天线的一种典型结构是由超快光电材料和其上的偶极天线(金属电极)组成，当它用作太赫兹光源时，它的原理是当用飞秒激光脉冲激发位于偶极天线间隙的超快光电材料时，在该区域产生大量的瞬态载流子，载流子在加载于金属电极上的偏置电压的作用下加速运动形成瞬态光电流，辐射出能量谱在太赫兹波段的脉冲信号；当它用作太赫兹探测器时，它的原理是当用飞秒激光脉冲与太赫兹电场辐射同时作用到光电导天线时，光生载流子在太赫兹电场的驱动下定向移动形成光电流，并且光电流的大小与太赫兹电场的大小成正比。

低温生长的GaAs是目前运用作为广泛的超快光电材料，同时具有高电阻率，高载流子迁移率，并且低温生长引入的过量砷元素在GaAs的带隙之间提供了缺陷能级，进而可以实现载流子的超快弛豫。但通常来说，低温GaAs需要被800nm的激光器激发，限制了它在通讯领域的运用；并且低温生长降低了GaAs的晶体质量，限制了它的输运性质以及工作温度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料及其制备方法和光电导天线结构。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料，包括半绝缘的半导体衬底以及依次设于所述半导体衬底上的下层半导体层、半金属层、上层半导体层。

进一步的，所述下层半导体层和上层半导体层为非掺杂半导体层或掺杂半导体层；

形成所述非掺杂半导体层的化合物包括IIIA族元素和VA族元素组成的化合物；在所述非掺杂半导体层基础上掺杂了掺杂源即形成所述掺杂半导体层，所述掺杂源包括Si、Te、Be或C；其中，IIIA族元素包括Al、Ga和In中的一种或几种，VA族元素包括P、As、Sb和Bi中的一种或几种。

进一步的，形成所述半金属层的化合物包括稀土元素与VA族元素组成的化合物；所述稀土元素包括Er、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y或Sc，所述VA族元素包括P、As、Sb或Bi。

进一步的，形成所述半金属层的化合物包括ErAs、ErSb、GdAs、GdSb、SmAs、SmSb、HoAs、HoSb、EuAs、EuSb、YbAs或YbSb。

进一步的，所述下层半导体层的厚度为50～200nm，所述半金属层的厚度为20～200nm，所述上层半导体层的厚度为5～10nm。

一种基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料的制备方法，所述基于半导体/半金属/半导体异质结的超快光电材料是采用分子束外延法在半绝缘的半导体衬底上全外延生长得到的。