DE112013004626T5

DE112013004626T5 - Photomischer und Verfahren zum Herstellen desgleichen

Info

Publication number: DE112013004626T5
Application number: DE112013004626.1T
Authority: DE
Inventors: Kyung Hyun Park; Nam-Je Kim; Hyun-Sung Ko; Dong-Hun Lee; Sang-Pil Han; Han-Cheol Ryu; Jeong-Woo Park; Ki Won Moon; Dae Yong Kim
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-07-02
Also published as: JP6391576B2; KR20140038869A; JP2015533023A; WO2014046465A1; US9618823B2; KR101700779B1; US20150277208A1

Abstract

Hierin sind ein Photomischer und ein Verfahren zum Herstellen des Photomischers beschrieben, welche die bestehenden einschränkenden Faktoren einer PCA und eines Photomischers, welche Kernbestandteile eines herkömmlichen Breitband-Terahertz-Spektroskopie-Systems sind, grundsätzlich lösen können. Der dargestellte Photomischer enthält eine aktive Schicht, die auf einer oberen Fläche eines Substrats gebildet ist, wobei die aktive Schicht auf einem Bereich gebildet ist, auf welchen Licht einfällt, und eine thermisch leitende Schicht, die auf der oberen Fläche des Substrats gebildet ist, wobei die thermisch leitende Schicht auf einem Bereich gebildet ist, welcher sich vom dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt. Die aktive Schicht ist derart gebildet, dass sie einen Mesa-Querschnitt aufweist, und die thermisch leitende Schicht ist auf dem Bereich, welcher sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt, mittels eines MOCVD-Verfahrens nachwachsen gelassen worden und weist eine abgeflachte Oberfläche auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Photomischer und ein Verfahren zum Herstellen des Photomischers und insbesondere einen Breitband-Photomischer, welcher das Herzstück der Erzeugung kontinuierlicher frequenzvariabler Terahertzwellen ist, und ein Verfahren zum Herstellen des Breitband-Photomischers.
Hintergrund
Im elektromagnetischen Spektrum ist ein 0,1 bis 10 THz (1 THz: 10¹² Hz) Band als ein Terahertzwellenband definiert. Insbesondere ist ein 0,1 bis 3 THz Band ein Band, in welchem Rotationsresonanzfrequenzen einer großen Vielfalt von Molekülen vorhanden sind, und Molekülerfassung oder dergleichen kann in einer nicht-zerstörenden Weise, einer nicht-offenen Weise oder einer berührungslosen Weise durch Ausnutzen der Terahertzwellenband-Eigenschaften solcher Moleküle durchgeführt werden. Eine solche Terahertzwellen-Technologie erlaubt die Bereitstellung neuer konzeptioneller zukünftiger Kerntechnologien, welche bis heute noch nicht vorgestellt wurden, auf den Gebieten der medizinischen Behandlung, Arzneimittel, Landwirtschaft und Lebensmittel, Umweltmessung, Biologie, Kommunikation, nicht-zerstörenden Untersuchung, erweiterten Materialprüfung etc., und sehr harter Wettbewerb wurde bei der Entwicklung verwandter Kerntechnologie geführt.
Bei der Terahertzwellen-Technologie, da die Energie von Photonen im Terahertzwellenband so sehr gering wie einige meV ist, beeinflusst es einen menschlichen Körper kaum und wird als eine Kerntechnologie zum Verwirklichen einer auf den Menschen ausgerichteten allgegenwärtigen Gesellschaft erkannt, und es wird daher vorhergesagt, dass der Bedarf nach der Terahertzwellen-Technologie stark ansteigen wird. Eine Technologie, welche gleichzeitig Echtzeit-Eigenschaften, Portabilität, niedriger Preis, Breitband etc. erfüllt, wurde jedoch noch nicht entwickelt. Dank der kontinuierlichen Verbesserung technischer Fähigkeiten wurden gegenwärtig jedoch mannigfaltige Vorstellungen getätigt, welche sich auf die Benutzung von Terahertz-Spektroskopie und die Bildgebungsgebiete bezogen. Im Gegensatz zu Terahertz-Bildgebungsgebieten, auf welchen eine Wellenquelle mit hoher Energie und ein hochsensitiver Felddetektor im Wesentlichen eingesetzt werden, wurde eine Breitband-Terahertzwellenquelle als Kerntechnologie für das System bei Terahertz-Spektroskopie festgelegt.
Das Breitband-Terahertz-System, welches bis vor kurzem am häufigsten verwendet wurde, ist ein Terahertz(THz)-Zeitdomain-Spektroskopie(TDS)-System zum Ausstrahlen von Femtosekunden-Ultrakurzimpulslaserlicht auf einen Halbleiter, welcher eine ultrahohe Antwortgeschwindigkeit aufweist und Terahertzwellen erzeugt, wie es in 1 gesehen werden kann. Da ein aus einem Femtosekunden-Hochleistungsimpulslaser und einer photoleitenden Antenne (PCA) gebildetes Breitband-Terahertz-Spektroskopie-System implementiert werden kann, um relativ einfach ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Breitband-Eigenschaften bereitzustellen, ist es das erste kommerziell erhältliche System. Das THz-TDS-System von 1 ist dazu eingerichtet, dass ein Femtosekunden-Lichtimpuls 10 von einem einzelnen Femtosekunden-Laser 22, welcher durch einen Spiegel M1 reflektiert wird, in zwei Femtosekunden-Lichtimpulse durch einen Strahlenteiler BS geteilt wird. Von den beiden Femtosekunden-Lichtimpulsen wird ein Femtosekunden-Lichtimpuls durch einen Spiegel M2 derart reflektiert, dass er einen THz-Emitter 12 anregt, und der andere Femtosekunden-Lichtimpuls durchläuft nacheinander eine optische Verzögerungseinheit DL und Spiegel M3 und M4 und wird zu einem THz-Detektor 18 eingegeben. Zwei strahlabwärts von dem THz-Emitter 12 angeordnete Schrägparabolspiegel 14 fokussieren THz-Strahlen von dem THz-Emitter 12 auf eine Probe 16, und zwei Schrägparabolspiegel 20 fassen die THz-Strahlen, welche die Probe 16 durchlaufen haben, zusammen und fokussieren die THZ-Strahlen auf den THz-Detektor 18. An einer Stelle, an welcher Pfade des linken und rechten Laserstrahls exakt identisch zueinander sind, kann der Maximalwert von Terahertz-Signalen gemessen werden. Verfahren zum Messen von Terahertz-Signalen werden mittels eines Samplingverfahrens basierend auf einem Unterschied zwischen optischen Pfaden durch allmähliches Ändern des optischen Pfades eines rechten Laserstrahls mittels der optischen Verzögerungseinheit DL durchgeführt.
Weil das oben beschriebene THz-TDS-System als ein bestimmtes und kompliziertes optisches System implementiert ist, welches den Femtosekunden-Laser 22, die optische Verzögerungseinheit DL etc. enthält, ist es jedoch sehr kostspielig und weist eine große Systemgröße auf. Insbesondere weist das THz-TDS-System von 1 Schwierigkeiten bei Echtzeitmessung auf Grund von Zeit, die zur optischen Verzögerung erforderlich ist, und Zeit auf, die zum Verarbeiten einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) auf gemessenen Zeitdomain-Signalen erforderlich ist. Solche Probleme wurden als zu lösende Faktoren für den Zweck des Maximierens industrieller Benutzbarkeit erkannt.
In letzter Zeit wurde zusätzlich zu dem THz-TDS-System, welches ein Modell zum Erzeugen gepulster Breitband-Terahertzwellen ist, eine große Anstrengung unternommen, um THz-Frequenzdomain-Spektroskopie(FDS)-Systeme zum Erzeugen kontinuierlicher Wellen, wie in 2 gezeigt, zu entwickeln. Es ist möglich, Hochfrequenzauflösung basierend auf einem kontinuierlichen Wellenmodell bereitzustellen und ein preiswertes, Breitband- und von der Größe kleines System durch Benutzen von zwei unabhängigen Halbleiter-Lasern mit hoher Energie derart zu entwickeln, dass ein Terahertz-Spektroskopie-System entwickelt werden kann, welches auf verschiedenen Gebieten angewendet werden kann, und eine Mehrzahl von Einrichtungen entwickeln wetteifernd verwandte Technologien. Beispiele, welche umfangreich in allen Einzelheiten auf Systeme angewendet werden, sind jedoch auf Grund sehr schlechter photoelektrischer Umwandlungseffizienz des kontinuierlichen Wellenmodells noch nicht vorgestellt worden.
Das THz-TDS-System, welches ein gepulstes Breitband-Terahertzwellen-Erzeugungssystem ist, wie in 1 gezeigt, verwendet im Allgemeinen einen Titan-Saphir(Ti:Saphir)-Laser, welcher ein Femtosekunden-Ultrakurzimpulslaser ist, und wird mittels einer PCA implementiert, welche ein Terahertzwellen-Erzeuger basierend auf Femtosekunden-Lichtanregung ist, das heißt ein photoelektrischer Ultrahochfrequenz-Umwandler (optisch-elektrischer Umwandler). Die mittlere Oszillationswellenlänge eines kommerziell erhältlichen Ti:Saphir-Lasers absorbiert 800 nm, und der kommerziell erhältliche Ti:Saphir-Laser verwendet bei niedriger Temperatur wachsen gelassenes GaAs, welches eine sehr kurze Ladungsträgerlebenszeit aufweist, als ein aktives PCA-Material. Bei der Einrichtung des Terahertz-Spektroskopie-Systems ist es erforderlich, ein Material einzusetzen, welches eine Anregungslichtquelle effizient absorbiert oder eine Ladungsträgerlebenszeit im Femtosekundenbereich aufweist, die wesentlich für Breitbandeigenschaften sind. Trotz desselben Modells wurde ein FDS-System, welches ein kontinuierliches Wellenoszillationsmodell ist, wie in 2 gezeigt, im Gegensatz zum gepulsten TDS-System, wie in 1 gezeigt, entwickelt und befindet sich im Wettbewerb mit dem TDS-System.
Verglichen mit 1 ist ein Unterschied zu 2, dass eine Anregungslichtquelle Schwebung benutzt, welche durch zwei Wellenlängen λ1 und λ2 von sehr stabilen verteilten Rückkopplungslasern mit hoher Energie DFB1 24 und DFB2 26 an Stelle von Femtosekunden-Lasern gebildet ist. Das Terahertzwellen-Erzeugungsmodell ist mit Ausnahme der Lichtquelle ähnlich zu jenem des THz-TDS-Systems von 1. Im Falle einer PCA, welche ein photoelektrischer Umwandler für Ultrahochfrequenz für THz-TDS ist, können Breitband-Terahertzwellen leicht mittels einer rechtwinkligen Lichtanregungsfläche, welche eine Größe von einigen Mikrometern aufweist, und einer sehr einfachen Dipolantenne auf Grund des hohen Spitzenwertes eines Ultrakurzimpulslasers erzeugt werden. Im Gegensatz dazu wird das THz-FDS-System von 2 allgemein als ein Photomischer anstatt einer PCA bezeichnet, da Terahertzwellen erzeugt werden, welche eine Frequenz aufweisen, die einer Differenz zwischen zwei Wellenlängen entspricht. Zur Entwicklung eines Photomischers 30 zum Erzeugen einer kontinuierlichen Welle, die sich von einer gepulsten Welle unterscheidet, wird eine fingerförmig-ineinandergreifende (IDT) Struktur, wie in 4 gezeigt, durch Ausnutzen einer kontinuierlich oszillierenden Lichtquelle bei einigen zehn mW im Gegensatz zum Femtosekunden-Laser benutzt, der einen sehr hohen Spitzenwert aufweist. Durch Benutzen der IDT-Struktur ist es möglich, Breitband-Terahertzwellen sogar bei relativ niedriger eingegebener optischer Energie zu erzeugen, obwohl die optische Energie sehr leicht gesättigt und abhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts ist, und daher wurde der Photomischer weithin benutzt.
3 ist ein schematisches Diagramm, welches einen typischen Photomischer zeigt. Ein Photomischer 30, welches ein Gerät zum Erzeugen von Breitband-Terahertzwellen ist, enthält einen photoleitenden Schalter (PCS) 32, welches aus einem Material hergestellt ist, dessen Reaktionsgeschwindigkeit so sehr hoch wie Picosekunden (10^–12) ist, und welches dazu eingerichtet ist, elektrischem Strom zu erlauben, hindurch zu fließen, wenn Licht abgestrahlt wird; und Antennen 34, die dazu eingerichtet sind, den Zuwachs der erzeugten Terahertzwellen in einer Richtung zu erlangen. Bezug nehmend auf 4 kann indes gesehen werden, dass die Antennen 34 auf gegenüberliegenden Seiten des PCS 32 des Photomischers 30 gebildet sind, wobei der PCS 32 zwischen den Antennen 34 angeordnet ist.
Die koreanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2011-0069453 (bezeichnet „Photomischer-Modul und Verfahren zum Erzeugen von Terahertzwellen mittels desselben”) offenbart eine Technologie zum Erhöhen der Intensität von angeregtem Licht, welches erforderlich ist, um Terahertzwellen zu erzeugen, und Verbessern der Stabilität eines Photomischers.
Das in der koreanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2011-0069453 offenbarte Photomischer-Modul enthält einen Halbleiter-Lichtverstärker, der dazu eingerichtet ist, einfallendes Laserlicht zu verstärken, und einen Photomischer, der dazu eingerichtet ist, durch verstärktes Laserlicht angeregt zu werden, und der dazu eingerichtet ist, eine kontinuierliche Terahertzwelle zu erzeugen, wobei der Halbleiter-Lichtverstärker und der Photomischer derart gebildet sind, dass sie in einem einzelnen Modul integriert sind.
Die vorliegende Erfindung ist vorgesehen, um einen hocheffizienten Photomischer zu entwickeln, welcher die Verschlechterung von Eigenschaften auf Grund der Sättigung von eingegebenen Licht, welche durch die Injektion eines angeregten Lichts mit hoher Energie und einen plötzlichen Anstieg bei einer Temperatur der aktiven Schicht des Photomischers verursacht wird, welcher ein Erzeugungsgerät für kontinuierliche Terahertzwellen im Unterschied zu einer gepulsten PCA ist, grundsätzlich überwinden kann. Insbesondere ist der Hintergrund der vorliegenden Erfindung, eine Breitband-Photomischer-Technologie zu entwickeln, welche eine Breitband-Terahertzwellen-Erzeugungseffizienz rasch verbessern kann, die sehr niedrig in einem langen Wellenlängenband war, und welche hohe Effizienz- und hohe Zuverlässigkeitseigenschaften aufweist, da vorher wohlentwickelte Teile zur optischen Kommunikation leicht benutzt werden können.
Offenbarung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung wurde vorgeschlagen, um die obigen Probleme des Standes der Technik zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Photomischer und ein Verfahren zum Herstellen des Photomischers bereitzustellen, welche die bestehenden einschränkenden Faktoren einer PCA und eines Photomischers grundsätzlich lösen können, welche Kernbestandteile eines herkömmlichen Breitband-Terahertz-Spektroskopie-Systems sind.
Einschlägige Spektroskopie-Systeme verwenden verschiedene Materialien wie beispielsweise bei niedriger Temperatur wachsen gelassenes GaAs und InGaAs, welche für Oszillationswellenlängen von Lichtquellen geeignet sind, wobei die Ergebnisse davon aber auf Grund der inhärenten Eigenschaften von Halbleitern noch zu schwach sind, um industrialisiert zu werden. Eine genauere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, schwierige Probleme zu lösen, welche aus der Entwicklung eines zu industrialisierenden Breitband-Photomischers, welcher einen photoelektrischen Umwandler zum Erzeugen ausreichender Terahertzwellen ist, durch Entwickeln eines eingebetteten Photomischers basierend auf einem metallorganischen chemischen Gasabscheidungs(MOCVD)-Nachwachstumsverfahren resultieren, welches bis heute noch nicht vorgeschlagen wurde.
Technische Lösung
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, um die vorgenannte Aufgabe zu verwirklichen, wird ein Photomischer bereitgestellt, welcher eine aktive Schicht, die auf einer oberen Fläche eines Substrats gebildet ist, wobei die aktive Schicht auf einem Bereich gebildet ist, auf welchen Licht einfällt; und eine thermisch leitende Schicht enthält, die auf der oberen Fläche des Substrats gebildet ist, wobei die thermisch leitende Schicht auf einem Bereich gebildet ist, der sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt.
Vorzugsweise kann die aktive Schicht einen Mesa-Querschnitt aufweisen.
Die aktive Schicht kann gebildet sein aus einer ausgewählt aus GaAs-, InGaAs- und InGaAsP-Strukturen und einer InGaAs/InAlAs-Mehrschicht-Dünnfilm-Struktur.
Die thermisch leitende Schicht kann hergestellt sein aus einem ausgewählt aus InP, GaAs, Ge, Si, AlAs und AlGaAs.
Die aktive Schicht und die thermisch leitende Schicht können in engem Kontakt miteinander sein.
Der Photomischer kann ferner eine mit einer Fläche der aktiven Schicht verbundene und von der thermisch leitenden Schicht beabstandete Elektrodenstruktur enthalten.
Der Photomischer kann ferner einen auf dem Bereich, auf welchen Licht einfällt, gebildeten nichtreflektierenden Film enthalten, wobei der nichtreflektierende Film über der aktiven Schicht und der thermisch leitenden Schicht gebildet sein kann.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, um die obige Aufgabe zu verwirklichen, wird indes ein Verfahren zum Herstellen eines Photomischers bereitgestellt, welches Bilden einer aktiven Schicht auf einer oberen Fläche eines Substrats, wobei die aktive Schicht auf einem Bereich gebildet wird, auf welchen Licht einfällt; und Bilden einer thermisch leitenden Schicht auf der oberen Fläche des Substrats enthält, wobei die thermisch leitende Schicht auf einem Bereich gebildet wird, welcher sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt.
Vorzugsweise kann Bilden der aktiven Schicht vertikales und horizontales Wachsenlassen einer Pufferschicht auf der oberen Fläche des Substrats; vertikales und horizontales Wachsenlassen der aktiven Schicht auf der oberen Fläche der Pufferschicht; und Ätzen des Bereichs enthalten, welcher sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt, aus der gewachsenen aktiven Schicht.
Vertikales und horizontales Wachsenlassen der aktiven Schicht kann dazu eingerichtet sein, die aktive Schicht bei einer niedrigen Temperatur mittels eines Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Verfahrens wachsen zu lassen.
Die aktive Schicht kann derart gebildet sein, dass sie einen Mesa-Querschnitt aufweist.
Bilden der thermisch leitenden Schicht kann dazu eingerichtet sein, dass die thermisch leitende Schicht auf dem Bereich, der sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt, mittels eines MOCVD-Verfahrens nachwächst und eine abgeflachte Fläche aufweist.
Das Verfahren kann ferner Bilden einer mit der aktiven Schicht verbundenen und von der thermisch leitenden Schicht beabstandeten Elektrodenstruktur enthalten.
Das Verfahren kann ferner Bilden eines nichtreflektierenden Films auf dem Bereich enthalten, auf welchen Licht einfällt.
Vorteilhafte Wirkungen
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welche die obige Konfiguration aufweist, wird ein Wärmebehandlungsvorgang mittels MOCVD-Ausstattung, welche eine Halbleiterkristallwachstumsausstattung ist, derart durchgeführt, dass die Wärmebehandlung eines bei niedriger Temperatur wachsen gelassenen Halbleitermaterials und Halbleiterkristallwachstum mit hoher Qualität gleichzeitig durchgeführt werden, um zu erlauben, dass eine Struktur entwickelt wird, welche hohe thermische Leitfähigkeitseigenschaften und eine flache Struktur aufweist, wodurch die Entwicklung eines Breitband-Photomischers ermöglicht wird, welcher hohe Zuverlässigkeit und hohe Effizienz aufweist.
Ein Photomischer mit hoher Effizienz, welcher die Eigenschaften einer hocheffizienten Wärmeableitungsstruktur aufweist, während die Zuverlässigkeit von Photomischer-Elementen gewährleistet wird, wird mittels eines bei niedriger Temperatur wachsen gelassenen Substrats entwickelt und damit kann ein echtes Terahertz-Anwendungssystem entwickelt werden und die sich allmählich verbreitende Wirkung kann eine zukünftige Technologieentwicklung erheblich verbessern.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, welches das Konzept eines typischen Terahertz(THz)-Zeitdomain-Spektroskopie(TDS)-Systems zeigt;
2 ist ein Diagramm, welches das Konzept eines typischen THz-Frequenzdomain-Spektroskopie(FDS)-Systems zeigt;
3 ist ein Konfigurationsdiagramm eines typischen Photomischers;
4 ist ein Diagramm, welches eine Form zeigt, in welcher ein photoleitender Schalter und eine Antenne, wie in 3 gezeigt, eingerichtet sind;
5 ist ein Diagramm, welches die äquivalente Schaltung eines Terahertzwellen-Erzeugungsphotomischers zeigt, der verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben;
6 ist ein Diagramm, welches die Struktur eines Terahertzwellen-Erzeugungsphotomischers vom flachen Typ zeigt, der verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben;
7 ist ein Diagramm, welches einen antennenintegrierten Terahertzwellen-Erzeugungsphotomischer zeigt, der verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben;
8 ist ein Diagramm, welches eine Modifikation von 7 zeigt;
9 ist ein Diagramm, welches die Struktur eines Photomischers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Photomischers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bester Modus
Nachfolgend wird ein Photomischer und ein Verfahren zum Herstellen des Photomischers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Vor der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll darauf hingewiesen werden, dass die in der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe und Wörter nicht eingeschränkt auf deren gewöhnliche Bedeutung und jene in Wörterbüchern aufzufindende interpretiert werden sollen. Die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungen sind lediglich die am meisten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind nicht repräsentativ für den gesamten technischen Geist der vorliegenden Erfindung. Es soll demgemäß verstanden werden, dass verschiedene Äquivalente und Modifikationen, welche zum Ersetzen der Ausführungsformen und Ausführungen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, zu dem Zeitpunkt vorhanden gewesen sein mögen, zu welchem die vorliegende Erfindung eingereicht wurde.
Die grundsätzlichen Eigenschaften eines gepulsten Breitband-Terahertzwellen-Erzeugungssystems oder eines variablen Terahertzwellen-Erzeugungssystems mit kontinuierlicher Frequenz werden durch die Eigenschaften einer Anregungslichtquelle und die Effizienz einer photoleitenden Antenne (PCA), welche der oben beschriebene photoelektrische Umwandler ist, und eines Photomischers bestimmt. Im Gegensatz zum gepulsten Typ muss beim Gestalten eines kontinuierlichen Wellenerzeugungsphotomischers ein Wärmeanstiegseffekt innerhalb des Photomischers unbedingt berücksichtigt werden, der auf Grund sehr hoher eingegebener optischer Energie auftritt. Die grundsätzlichen Wärmequellen enthalten die Absorption eines Materials basierend auf Lichtinjektion, Joule-Wärme basierend auf einem in Abhängigkeit von der Anwendung einer Vorspannung auf den Photomischer erhaltenen Strom, etc. Weil die frühzeitige Sättigung von einfallendem Licht, welche durch einen Anstieg der internen Temperatur des Photomischers verursacht wird, und die Verschlechterung photoelektrischer Effizienzeigenschaften, welche durch den Anstieg der internen Temperatur verursacht wird, rasch fortschreitet, ist eine gleichmäßige Wärmeabgabe wesentlich für die Gewährleistung hoher Effizienz. Insbesondere ist bei einem kontinuierlichen Wellenmodell gleichmäßige Wärmeabgabe der wichtigste Kernfaktor. Unter verschiedenen photoelektrischen Umwandlern wird ein Langwellen-Photomischer, welcher die ungünstigsten Eigenschaften zeigt, im Folgenden betrachtet.
Eine Frequenz f, bei welcher variable Terahertzwellen mit kontinuierlicher Frequenz erzeugt werden, ist eine Schwebungsfrequenz (f = f₁ – f₂) ist, welche ein Unterschied zwischen zwei Oszillationsfrequenzen (f₁ = c/λ₁, f₂ = c/λ₂) von angeregtem Licht ist. Wenn λ = λ₁ und Δλ = λ₁ – λ₂ << λ ist, kann f = f₁ – f₂ = c/λ₁ – c/λ₂ = cΔλ/λ² betragen.
Die Eigenschaften der zu dieser Zeitpunkt erzeugten frequenzvariablen Terahertzwellenquelle werden unmittelbar durch die Eigenschaften einer Anregungslichtquelle beeinflusst. Die Stabilität, Leitungsbreite, Polarisation und Phase der Anregungslichtquelle beeinflussen die erzeugten Terahertzwellen und daher wurde eine große Anstrengung unternommen, um stabile Anregungslichtquellen zu entwickeln.
Um die Ausgabe von durch den Photomischer erzeugten Terahertzwellen zu analysieren, wird ein Verfahren einer äquivalenten Schaltung, wie in 5 gezeigt, weithin benutzt. In 5 enthalten grundlegende die Eigenschaften des Photomischers beeinflussende Variablen eine angelegte Spannung V_B, eine Antennenimpedanz R_L, die Kapazität C des Photomischers, die Photoleitfähigkeit G₀ des Photomischers etc. Falls ein Bereich Ap, auf welchen Licht einfällt, eine Lichttransmission T, eine interne Quanteneffizienz η_i, die Planck-Konstante h, eine Ladungsmobilität μ, eine Frequenz v und eine Ladungsträgerauslöschungszeit τ in Betracht gezogen werden und ein einfacher quadratischer Photomischer angenommen wird, in welchem keine Metallstruktur in dem Lichteinfallsbereich vorhanden ist, wird die Photoleitfähigkeit G₀ gegeben durch die nachfolgende Gleichung (1). In der nachfolgenden Gleichung (1) bezeichnet e die elektrische Ladung von Ladungsträgern und P₀ bezeichnet die Energie von auf den Photomischer einfallenden Licht.
Die Eigenschaften von Terahertzwellen, die von dem Photomischer ausgegeben werden, welcher die Photoleitfähigkeit G₀ aufweist, werden durch die nachfolgende Gleichung (2) gegeben. R_A bezeichnet den Strahlungswiderstand einer Antenne, und C und τ bezeichnen die Kapazität bzw. Ladungsträgerauslöschungszeit des Photomischers.
In Gleichung (2) bezeichnet ω die Winkelfrequenz der Schwebungsfrequenz. ω = 2πf = 2π(f₁ – f₂) = 2π(c/λ₁ – c/λ₂).
Um Terahertzwellen mit hoher Effizienz zu erzeugen, müssen Variablen eingestellt werden, welche die photoelektrische Umwandlungseffizienz des Photomischers zusammen mit einer Lichtquelle mit hoher Energie unmittelbar beeinflussen. Wie in Gleichung (2) gezeigt, wird die Energie durch die hohe Antwortgeschwindigkeit, den Antennenwiderstand, die eingegebene Lichtintensität, etc. des Photomischers beeinflusst. Im Falle der PCA, welche ein gepulster Terahertzwellenerzeuger ist, ist die Verschlechterung von Eigenschaften, welche durch angeregtes Licht verursacht wird, verhältnismäßig wenig beeinflusst als bei einer kontinuierlichen Welle. Im Falle des kontinuierlichen Wellenerzeugungsphotomischers bestimmt jedoch eine Übergangstemperatur T_j, welche an der Schnittstelle zwischen Luft und dem Halbleiter auf Grund eines Anstiegs der Temperatur der aktiven Schicht, der durch kontinuierliche Injektion und Absorption von eingegebenen Licht verursacht wird, und Joule-Wärme gebildet wird, die durch die Anlegung einer Vorspannung verursacht wird, den maximalen Wert von einfallendem Licht, und dies ist somit ein für die Entwicklung eines Photomischers mit hoher Effizienz grundsätzlich zu lösender Faktor.
Wie in den Gleichungen (1) und (2) gesehen werden kann, werden die Eigenschaften eines Breitband-Photomischers in hohem Maße durch eine sehr kurze Ladungsträgerauslöschungszeit und die Kapazitätseigenschaften des Photomischers beeinflusst. Von diesen Faktoren muss die Ladungsträgerauslöschungszeit, welche Breitbandeigenschaften in einem Terahertz-Spektroskop unmittelbar beeinflusst, hauptsächlich sichergestellt werden. Für den Zweck des Sicherstellens der Ladungsträgerauslöschungszeit wird eine Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Ausstattung verwendet, um ein Halbleitermaterial, welches eine sehr kurze Ladungsträgerauslöschungszeit aufweist, mit beibehaltenden Halbleitereinzelkristalleigenschaften wachsen zu lassen. Die Ladungsträgerauslöschungszeit eines typischen Halbleiters liegt bei circa einigen ns (10^–9), und eine Zeit, die 1 THz entspricht, liegt bei circa 1 Picosekunde (10^–12), so dass, falls die Wachstumstemperatur plötzlich absinkt, wenn Halbleiterkristalle wachsen, um Breitbandeigenschaften zu gewährleisten, Verunreinigungen auf Grund der Besetzung eines Gruppe-5-Elements bei einer Gruppe-3-Elementposition in dem Material erzeugt werden, wodurch eine Ladungsträgerauslöschungszeit im Femtosekundenbereich sichergestellt wird.
Obgleich oben beschrieben, wurde GaAs-Material verwendet, um Lichtenergie zu absorbieren, welches eine Wellenlänge von 800 nm aufweist, welches die mittlere Oszillationswellenlänge der Lichtquelle des Thz-TDS-Systems ist, das heißt eines Ti:Saphir-Lasers, oder alternativ wurde vornehmlich ein InGaAs-Material verwendet, um eine für kontinuierliche Wellenoszillation verwendete Schwebungslichtquelle mit langer Wellenlänge zu absorbieren. Die Unterscheidung eines in der vorliegenden Erfindung neu vorgeschlagenen Verfahrens von einem typischerweise benutzten Photomischerherstellungsverfahren ist vorgesehen, beschrieben zu werden, durch Vergleichen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung mit dem typischerweise benutzten Photomischerherstellungsverfahren.
Wie in 3 bis 5 gezeigt enthält der Photomischer einen photoleitenden Schalter 32, der aus einem schnell auf angeregtes Licht reagierendes Material hergestellt ist, und Antennen 34, die dazu eingerichtet sind, erzeugte Wellen in einer beliebig gewünschten Richtung zu entnehmen. Die Antennen 34 können hier als Bowtie-Antennen, Dipolantennen, etc. abhängig vom Zweck der Antennen eingesetzt werden. Für ein Terahertz-Spektroskopie-System muss hauptsächlich eine Breitbandantenne verwendet werden, und für ein Terahertz-Bildgebungssystem werden resonante Antennen mit hoher Effizienz verwendet.
Der einfachste Photomischer, in welchem ausschließlich Antennen, die eine an ein Material anzulegende Vorspannung ermöglichen, eine Ladungsträgerauslöschungszeit sicherstellen, ist hergestellt, wie in 6 dargestellt.
Der Photomischer von 6 enthält ein Substrat 40, eine Pufferschicht 42, eine aktive Schicht 44, einen isolierender Dünnfilm 46, eine Elektrodenstruktur 48 und einen nichtreflektierenden Film 50.
Das Substrat 40 kann aus halbisolierendem GaAs oder InGaAs hergestellt sein, um den Umfang von durch auf dem entsprechenden Substrat vorhandenen Ladungen absorbierten Terahertzwellen zu minimieren. Das Substrat 40 kann auf eine vorbestimmte Dicke mittels einer Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Ausstattung wachsen gelassen werden.
Die Pufferschicht ist auf der oberen Fläche des Substrats 40 gebildet. Die Pufferschicht 42 ist derart gebildet, dass ein normaler Halbleiterdünnfilm auf dem Substrat 40 wachsen gelassen ist. Um die Pufferschicht 42 wachsen zu lassen, kann ein Material wie beispielsweise AlGaAs, InAlAs, GaAs oder InP verwendet werden. Durch Benutzen der MBE-Ausstattung kann die Pufferschicht 42 auf die vorbestimmte Dicke wachsen gelassen werden.
Die aktive Schicht 44 wird auf der oberen Fläche der Pufferschicht 42 vertikal und horizontal gebildet. Die aktive Schicht 44 wächst mittels eines Niedrigtemperaturwachstumsverfahrens, um eine Ladungsträgerlebenszeit sicherzustellen. Die aktive Schicht 44 kann als der Kern der Herstellung des Photomischers betrachtet werden und kann ebenfalls als eine photoleitende Schicht bezeichnet werden. Die aktive Schicht 44 kann Terahertzwellen aus photoleitendem Schalten erzeugen. Für die aktive Schicht 44 verwendete Halbleiterdünnfilme können ein GaAs-Material im 800 nm-Band als ein Grundmaterial enthalten und ein InGaAs- oder InGaAsP-Material, von welchem die Bandlücke identisch zur Wellenlänge der Anregungslichtquelle ist, als ein Langwellenlängenbandmaterial enthalten. Zusätzlich zur aktiven Grundschicht kann eine Mehrschicht-Dünnfilm-Struktur wie beispielsweise InGaAs/InAlAs dazu eingesetzt werden, durch eine Anregungslichtquelle mit langer Wellenlänge erzeugte Elektronen und Löcher gleichmäßig aufzunehmen.
Wie in der Gleichung (2) gesehen werden kann, wird die Energie von Terahertzwellen im Verhältnis zum Quadrat der angelegten Spannung bestimmt und die Bildung einer Elektrode, welche die Antenne enthält, die eine auf den photoleitenden Schalter angelegte Vorspannung ermöglicht, wesentlich ist. Entsprechend werden der isolierende Dünnfilm 46 und die Elektrodenstruktur 48 nacheinander auf der oberen Fläche der aktiven Schicht 44 durch eine Folge von Lithographievorgängen gebildet. Hier kann die Elektrodenstruktur 48 als mit der Antenne verbunden betrachtet werden. Wenn die Pufferschicht 42, die aktive Schicht 44, der isolierende Dünnfilm 46 und die Metallelektrodenstruktur 48 nacheinander auf dem Substrat 40 gebildet sind, kann auf diese Weise angesehen werden, dass ein Photomischerchip fertiggestellt wurde.
Der nichtreflektierende Film 50 ist dazu vorgesehen, dass Verringern von Oberflächenreflexion auf Grund des Halbleiters abschließend verhindert wird. Zunächst wird eine nichtreflektierende Filmschicht auf der gesamten oberen Fläche der Elektrodenstruktur 48 gebildet wird, und danach wird der nichtreflektierende Film 50 ausschließlich auf einem Bereich, auf welchen Licht einfällt, durch den Lithographievorgang gebildet.
7 ist ein Diagramm, welches einen antennenintegrierten Terahertzwellen-Erzeugungsphotomischer zeigt, der verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben. In 7 sind zwei Bowtie-Antennen 34 integriert, welche Breitbandantennen sind. Von den beiden Bowtie-Antennen 34 kann eine verwendet werden, um eine Vorspannung anzulegen, und die andere kann geerdet sein. Ferner sind in 7 eine Mehrzahl von Elektrodenplättchen 46 zum Zusammenpacken mit jeder Bowtie-Antenne 34 verbunden. Die Elektrodenplättchen 36 können ein Vorspannungselektrodenplättchen und ein Masseelektrodenplättchen enthalten. Ferner wird der photoleitende Schalter 32, welcher der Kernteil des Photomischers ist, innerhalb eines Bereichs gebildet, welcher durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist (das heißt zwischen den zwei Bowtie-Antennen 34).
In 7 kann der photoleitende Schalter 32 aus dem Material der oben beschriebenen aktiven Schicht 44 hergestellt sein, wobei es wohlbekannt ist, dass im Gegensatz zu einem GaAs-Material, welches eine große Bandlücke aufweist, von bei Niedrigtemperatur wachsen gelassenen Materialen, ein InGaAs-Material auf Grund von Hintergrundladungen Eigenschaften eines Halbleiters vom n-Typ aufweist. Um solche Ladungen vom n-Typ auszulöschen, wird Beryllium (Be), welches ein Material vom p-Typ ist, auf das bei Niedrigtemperatur gewachsene InGaAs dotiert. Als ein Ergebnis von Hallmessungen, wenn eine Wärmebehandlungstemperatur ansteigt, wird Beryllium (Be) aktiviert, und danach werden Störstellen vom n-Typ erwünscht ausgelöscht. Das heißt, wenn die Wärmebehandlungstemperatur ansteigt, kann bei Niedrigtemperatur wachsen gelassenes InGaAs, welches einen höheren Dunkelwiderstand aufweist, erhalten werden.
Im Falle von 6 wird, weil ein bei Niedrigtemperatur wachsen gelassener Halbleiterbereich zusätzlich zum Bereich, auf welchen Licht injiziert wird, noch beibehalten wird, ein Dunkelstrom auf Grund von Hintergrundladungsdichte erzeugt. Weil in einer GaAs-PCA ein solcher bei Niedrigtemperatur wachsen gelassener Halbleiterbereich ignoriert werden kann, kann im Allgemeinen eine hohe Vorspannung verwendet werden. Im Falle eines Photomischers mit langer Wellenlänge kann jedoch die Verschlechterung von Hintergrundladungsdichte als ein Hauptfaktor, welcher seine Eigenschaften verschlechtert, betrachtet werden. Aus diesem Grund weist das bei Niedrigtemperatur wachsen gelassene Halbleitermaterial sehr niedrige Beweglichkeitseigenschaften auf. Um Beweglichkeit, welche die Energie von Terahertzwellen entscheidend beeinflusst, zu verbessern, wird ein Wärmebehandlungsvorgang nach dem Wachstum im Prinzip durchgeführt. Zum Beispiel wird im Falle von InGaAs die Hallbeweglichkeit einer wie gewachsenen InGaAs-Probe, nachdem der Wärmebehandlungsvorgang durchgeführt wurde, von ungefähr 600 cm²/Vsec auf einen großen Wert wie beispielsweise circa 1.450 cm²/Vsec deutlich erhöht, und die wie gewachsene InGaAs-Probe zeigt die Eigenschaften, dass sie wieder zu einem Material in einem stabilen Zustand wiederhergestellt wird, wenn die Wärmebehandlungstemperatur ansteigt, und daher ist eine geeignete Wärmebehandlungstemperatur wesentlich für die Herstellung eines Photomischers mit hoher Effizienz.
Um Dunkelstrom zu verringern, welcher die Eigenschaften des Photomischers unmittelbar beeinflusst, kann entsprechend die Struktur von 8 betrachtet werden. In 8 sind die Funktionen der jeweiligen Schichten des Photomischers identisch zu jenen von 6, und die Struktur von 8 ist derart implementiert, dass ausschließlich ein Bereich, auf welchen Licht einfällt, freigelassen wird, wobei der verbleibende Bereich durch Ätzen entfernt wurde. In 8 weist eine aktive Schicht 52 einen Mesa-Querschnitt auf. Wenn die aktive Schicht 52 den Mesa-Querschnitt aufweist, ist auf diese Weise ein bei Niedrigtemperatur wachsen gelassener Halbleiterbereich, welcher sich von dem Licht injizierten Bereich unterscheidet, nicht vorhanden, und die Erzeugung von durch Hintergrundladungsdichte verursachtem Dunkelstrom wird daher nicht auftreten. In 8 bezeichnet das hier nicht beschriebene Bezugszeichen 54 einen isolierenden Dünnfilm.
Um die Eigenschaften des Photomischers zu verbessern, ist im Prinzip ein Wärmebehandlungsvorgang dazu erforderlich, die Beweglichkeit der aktiven Schicht 44, welches ein Licht anregender Teil ist, in 6 und der aktiven Schicht 52, welches ein Licht anregender Teil ist, in 8 sicherzustellen. In diesem Fall wird der Wärmebehandlungsvorgang durch Ausführen von in-situ-Ausheilen, welches in einer MBE-Kammer, unmittelbar nachdem das Wachstum beendet wurde, mittels einer MBE-Ausstattung, welches eine Niedrigtemperaturwachstumsausstattung ist, durchgeführt wird, oder ex-situ-Ausheilen durchgeführt, welches in einer Kammer zur schnellen thermischen Ausheilung (RTA) durchgeführt wird. Es kann experimentell nachgewiesen werden, dass, da die Oberfläche der Probe, welche der in-situ-Wärmebehandlung oder ex-situ-Wärmebehandlung unterzogen wurde, rau ist, ein beträchtliches Problem beim Photomischervorgang und -eigenschaften verursacht wird.
Weil in dem Photomischer von 8 die aktive Schicht 52 in einer Mesa-Form gebildet ist, wird eine Elektrodenstruktur 48 auf der aktiven Schicht 42 indes auch in einer Form ähnlich zur Mesa-Form gebildet. Entsprechend ist die Elektrodenstruktur 48 von 8 im Gegensatz zur Elektrodenstruktur von 6 nicht eben. Der Photomischer von 8 ergibt daher eine Disparität zwischen der Höhe der aktiven Schicht 52 und den Oberfläche der Antennen. Auf Grund einer solchen Disparität besteht beim Verarbeiten eine Problematik und die meisten Teile des Photomischers mit Ausnahme des Substrat werden Luft ausgesetzt, und es ist daher schwierig, eine hohe Freisetzungseffizienz für durch Anregungslicht erzeugte Wärme vorherzusagen.
Dementsprechend wird der Photomischer vorgeschlagen, welcher die Struktur von 9 aufweist. Wie oben beschrieben, ist bei einem Niedrigtemperaturwachstumsvorgang zum Sicherstellen von Breitbandeigenschaften ein nachfolgender Wärmebehandlungsvorgang zum Sicherstellen von Beweglichkeit für die Entwicklung eines Breitband-Photomischers notwendig.
Der Photomischer von 9 enthält ein Substrat 60, eine Pufferschicht 62, eine aktive Schicht 64, eine thermisch leitende Schicht 66, einen isolierenden Dünnfilm 68, eine Elektrodenstruktur 70, und einen nichtreflektierenden Film 72. Die Funktionen des Substrats 60, der Pufferschicht 62 und der aktiven Schicht 64 sind hier identisch zu jenen des Substrats 40, der Pufferschicht 42 und der aktiven Schicht 52 von 8. Die Funktionen des isolierenden Dünnfilms 68, der Elektrodenstruktur 70 und des nichtreflektierenden Films 72 sind identisch zu jenen des isolierenden Dünnfilms 46, der Elektrodenstruktur 48 und des nicht reflektierenden Films 50 von 6.
In 9 ist eine Besonderheit dahingehend vorhanden, dass die aktive Schicht 64 und die thermisch leitende Schicht 66 auf der oberen Fläche der Pufferschicht 62 gebildet sind, wobei aber die aktive Schicht 64 in einem Bereich gebildet ist, auf welchen Licht einfällt, und die thermisch leitende Schicht 66 in dem Bereich gebildet ist, der sich von dem Lichteinfallsbereich unterscheidet. Die thermisch leitende Schicht 66 ist aus einem Material hergestellt, welches eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Um Wärme freizugeben, ist es bevorzugt, dass die aktive Schicht 64 und die thermisch leitende Schicht 66 in engem Kontakt miteinander sind.
Wie durch die Struktur von 9 gesehen werden kann, werden ein Wärmebehandlungsvorgang und ein Abflachungsvorgang zum Nachwachsenlassen eines Materials, welches eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, auf dem Bereich, der sich von einem Lichtanregungsbereich unterscheidet (das heißt, der Lichteinfallsbereich stimmt mit dem überein), mittels MOCVD-Ausstattung und Abflachen des Bereichs gleichzeitig durchgeführt. Die durch gleichzeitiges Lösen eines durch Wärmebehandlung verursachten Oberflächenproblems und des Problems der Verschlechterung von Photomischereigenschaften mittels eines Verfahrens, welches bisher noch nicht vorgestellt wurde, erheblich verbesserten Eigenschaften wurden experimentell überprüft. Das heißt, in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde Wärmebehandlung in einer As-Atmosphäre mittels der MOCVD-Ausstattung durchgeführt, welches eine Halbleiterkristallwachstumsausstattung ist. Die Ergebnisse von Experimenten zeigten, dass eine schnelle Veränderung bei der Ladungsträgerlebenszeit bis zu einer bestimmten Schwellwerttemperatur nicht auftrat. Wenn Wärmebehandlung in einer As-Atmosphäre mittels der MOCVD-Ausstattung durchgeführt wurde, welches eine herkömmliche Halbleiterkristallwachstumsausstattung ist, konnte ferner in den allermeisten Fällen experimentell nachgewiesen werden, dass exzellente Oberflächeneigenschaften und Ladungsträgerlebenszeiten, welche unvergleichlich zu anderen Methoden waren, sichergestellt werden konnte, wenn der Vergleich mit den anderen Methoden durchgeführt wurde.
Als ein für die thermisch leitende Schicht 66 verwendetes nachwachsen gelassenes Material kann eine große Vielfalt von Materialien unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit des nachwachsen gelassenes Materials, etc. in Anbetracht eines Gitterabgleichs mit verschiedenen aktiven Schichten genommen werden. Mögliche Materialbezeichnungen (thermische Leitfähigkeit) können wie folgt vorgeschlagen werden. InP(0,68 Wcm^–1K^–1), GaAs(0,45 Wcm^–1K^–1), Ge(0,58 Wcm^–1K^–1), Si(1,3 Wcm^–1K^–1) und AlAs(0,91 Wcm^–1K^–1) sind Materialien, welche eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, und dazu eingerichtet sind, dass der Bereich, der sich von dem Lichtanregungsbereich unterscheidet, eingebettet ist, wodurch es ermöglicht wird, einen thermisch äußerst stabiler Photomischer zu entwickeln. Es kann experimentell nachgewiesen werden, dass, falls diese Struktur tatsächlich benutzt wurde, die Eigenschaften davon schnell verbessert werden konnten.
In 9 kann die aktive Schicht 64 wie alle aktiven Photomischerschichten basierend auf Lichtanregung beispielsweise aus bei Niedrigtemperatur wachsen gelassenem GaA, InGaAs und InGaAsP und aus InGaAs/InAlAs-Mehrschicht-Dünnfilmen gebildet werden. Die mittels der MOCVD-Ausstattung nachwachsen gelassene thermisch leitende Schicht 66 macht es zum Regelfall, einen Grundhalbleiter wie beispielsweise InP, AlAs oder AlGaAs, welcher eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, nachwachsen zu lassen. Ein Halbleiter vom p-Typ oder n-Typ, welcher eine andere Dotierung in der Struktur eines Gerätes aufweist, kann jedoch nachwachsen gelassen werden und eine Übergangsstruktur, in welcher Halbleiter vom p-Typ und n-Typ abwechselnd gewachsen gelassen wurden, kann ebenfalls benutzt werden. Wenn der eingebettete Photomischer, wie in 9 gezeigt, verwendet wird, kann ein photoelektrischer Umwandler entwickelt werden, welcher sehr stabil und dazu geeignet ist, hohe Effizienzeigenschaften zu belegen, und die Ausbreitung von Terahertzanwendungssystemen wird erwartet, welche noch nicht vorgeschlagen wurden.
Im Falle des Photomischers von 9 wird ein elektrisches Feld (E) in der aktiven Schicht 64 auf Grund einer Vorspannung gebildet, welche an die mit der Antenne verbundene Elektrodenstruktur 70 angelegt ist. Wenn angeregtes Licht in einem solchen vorgespannten Zustand einfällt, werden Ladungsträger (Elektronen-Loch-Paare) in der aktiven Schicht 64 durch Lichtabsorption erzeugt. Die Ladungsträger werden durch das in der aktiven Schicht 64 gebildete elektrische Feld (E) beschleunigt und danach unverzüglich durch die Elektrodenstruktur 70 zur Antenne bewegt. Terahertzwellen werden in der Antenne durch Photostrom erzeugt, welcher während der Lebenszeit der Ladungsträger (circa einige hundert Femtosekunden) fließt. Ferner wird während Lichtanregung erzeugte Wärme sofort durch die thermisch leitende Schicht 66 zur Außenseite freigegeben.
10 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen eines Photomischers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Zunächst wird ein auf eine vorbestimmte Dicke mittels MBE-Ausstattung wachsen gelassenes Substrat 60 vorbereitet (S10).
Eine Pufferschicht 62 wird auf der oberen Fläche des Substrats 60 gebildet (S12). Die Pufferschicht 62 wächst hier vertikal und horizontal auf eine vorbestimmte Dicke mittels der MBE-Ausstattung.
Eine aktive Schicht 64 wird auf der oberen Fläche der Pufferschicht 62 gebildet (S14). Beim Bilden der aktiven Schicht 64 wird die aktive Schicht 64 vertikal und horizontal auf der oberen Fläche der Pufferschicht 62 mittels eines Niedrigtemperaturwachstumsverfahrens basierend auf der MBE-Ausstattung gebildet. Alternativ wird die aktive Schicht 64 vertikal und horizontal auf der oberen Fläche der Pufferschicht 62 mittels eines MOCVD-Verfahrens wachsen gelassen, und danach kann ebenso Ionenimplantation auf der oberen Fläche der aktiven Schicht mittels Ionen wie beispielsweise F²⁺ durchgeführt werden.
Auf diese Weise wird in der durch Wachsenlassen der aktiven Schicht 64 mittels des Niedrigtemperaturwachstumsverfahrens basierend auf der MBE-Ausstattung vertikal und horizontal gebildete oder durch Wachsenlassen der aktiven Schicht 64 mittels des MOCVD-Verfahrens und Durchführen von Ionenimplantation gebildete aktive Schicht 64 der Bereich, der sich von einem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt (das heißt ein Lichtanregungsbereich) durch Ätzen entfernt. Entsprechend weist die aktive Schicht 64 einen Mesa-Querschnitt auf.
Danach wird eine thermisch leitende Schicht 66 in dem Bereich, welcher sich von dem Lichteinfallsbereich unterscheidet, mittels des MOCVD-Verfahrens nachwachsen gelassen, und danach wird eine abgeflachte Oberfläche erhalten (S16). Falls ein Wärmebehandlungsvorgang mittels des MOCVD-Verfahrens und ein Abflachungsvorgang durchgeführt wurden, ist hier die Oberfläche der aktiven Schicht 64 sowie die Oberfläche der thermisch leitenden Schicht 66 ebenfalls tatsächlich abgeflacht.
Ein isolierender Dünnfilm 68 wird auf den oberen Flächen der aktiven Schicht 64 und der thermisch leitenden Schicht 66 durch einen Lithographievorgang gebildet (S18).
Danach wird eine mit einer Fläche der aktiven Schicht 64 verbundene und von der thermisch leitenden Schicht 66 beabstandete Elektrodenstruktur 70 gebildet (S20).
Zuletzt wird, nachdem eine nichtreflektierende Filmschicht auf der gesamten oberen Fläche der Elektrodenstruktur 70 gebildet wurde, ein nichtreflektierender Film 72 ausschließlich auf einem Bereich, auf welchen Licht einfällt, durch den Lithographievorgang gebildet (S22).
Die vorliegende Erfindung ist indes nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann geändert und modifiziert werden, ohne sich von dem Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung zu entfernen, und es soll verstanden werden, dass der technische Geist solcher Änderungen und Modifikationen ebenfalls zum Umfang der beigefügten Ansprüche gehört.

Claims

Photomischer, umfassend: eine aktive Schicht, die auf einer oberen Fläche eines Substrats gebildet ist, wobei die aktive Schicht auf einem Bereich gebildet ist, auf welchen Licht einfällt; und eine thermisch leitende Schicht, die auf der oberen Fläche des Substrats gebildet ist, wobei die thermisch leitende Schicht auf einem Bereich gebildet ist, welcher sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt.
Photomischer nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht einen Mesa-Querschnitt aufweist.
Photomischer nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht gebildet ist aus einer ausgewählt aus GaAs-, InGaAs- und InGaAsP-Strukturen und einer InGaAs/InAlAs-Mehrschicht-Dünnfilm-Struktur.
Photomischer nach Anspruch 1, wobei die thermisch leitende Schicht hergestellt ist aus einem ausgewählt aus InP, GaAs, Ge, Si, AlAs und AlGaAs.
Photomischer nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht und die thermisch leitende Schicht in engem Kontakt miteinander sind.
Photomischer nach Anspruch 1, ferner umfassend eine mit einer Fläche der aktiven Schicht verbundene und von der thermisch leitenden Schicht beabstandete Elektrodenstruktur.
Photomischer nach Anspruch 1, ferner umfassend einen auf dem Bereich, auf welchen Licht einfällt, gebildeten nichtreflektierenden Film, wobei der nichtreflektierende Film über der aktiven Schicht gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Photomischers, umfassend: Bilden einer aktiven Schicht auf einer oberen Fläche eines Substrats, wobei die aktive Schicht auf einem Bereich gebildet ist, auf welchen Licht einfällt; und Bilden einer thermisch leitenden Schicht auf der oberen Fläche des Substrats, wobei die thermisch leitende Schicht auf einem Bereich gebildet ist, welcher sich vom dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Bilden der aktiven Schicht umfasst: vertikales und horizontales Wachsenlassen einer Pufferschicht auf der oberen Fläche des Substrats; vertikales und horizontales Wachsenlassen der aktiven Schicht auf einer oberen Fläche der Pufferschicht; und Ätzen des Bereichs, welcher sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt, aus der gewachsenen aktiven Schicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei vertikales und horizontales Wachsenlassen der aktiven Schicht dazu eingerichtet ist, die aktive Schicht bei einer niedrigen Temperatur mittels eines Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Verfahrens wachsen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei vertikales und horizontales Wachsenlassen der aktiven Schicht dazu eingerichtet ist, die aktive Schicht mittels eines metallorganischen Gasphasenabscheidungs(MOCVD)-Verfahrens wachsen zu lassen und darauf Ionenimplantation durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die aktive Schicht derart gebildet ist, dass sie einen Mesa-Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Bilden der thermisch leitenden Schicht dazu eingerichtet ist, dass die thermisch leitende Schicht auf dem Bereich, der sich von dem Bereich unterscheidet, auf welchen Licht einfällt, mittels eines MOCVD-Verfahrens nachwachen gelassen ist und eine abgeflachte Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die thermisch leitende Schicht hergestellt ist aus einem ausgewählt aus InP, GaAs, Ge, Si, AlAs und AlGaAs.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Bilden einer mit einer Fläche der aktiven Schicht verbundenen und von der thermisch leitenden Schicht beabstandeten Elektrodenstruktur.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Bilden eines nichtreflektierenden Films auf dem Bereich, auf welchen Licht einfällt.