三层砷化镓增强太赫兹性能

结合了薄n-掺杂缓冲层的三层结构，既可作为检测器又可作为发射器，具有可喜的性能。

菲律宾大学和福井大学的研究人员合作开发了一种三层砷化镓结构，增强了太赫兹发射和检测能力。

该团队的器件，具有在低温下生长的层和薄n-掺杂缓冲层的特点，其发射器和探测器的性能优于未掺杂缓冲层的变体。

这项工作支持了半导体材料的发展，这些材料已经被用于在商业系统中产生和检测太赫兹发射。半导体可为太赫兹成像和光谱系统中部署的光电导天线提供超快速切换。

当砷化镓用于太赫兹系统时，它是在较低温度下生长的。"[砷化镓的]较短的载流子寿命使其更适合用作太赫兹检测器，"研究员Elizabeth Ann Prieto说，"在高温或传统温度下生长的砷化镓作为太赫兹发射器是有效的，但不适合作为太赫兹探测器。"

低温生长的砷化镓作为太赫兹发射器的有效性取决于其结晶度，而探测器的能力则受其载流子寿命的短长所制约。遗憾的是，在低温下生长的单层砷化镓不可能在两方面都有出色的表现。

"随着砷化镓生长温度的降低，其结晶度会变差，其载流子寿命也会缩短，"Prieto说，“这使得传统低温生长的砷化镓作为太赫兹发射器效果较差，但作为太赫兹探测器却很有效。“

通过加入掺杂缓冲层，该团队能够使低温生长的砷化镓成为有效的太赫兹发射器。"通过将低温生长的砷化镓层做得很厚，而将掺杂的缓冲层做得很薄，我们已经消除了弊端。"Prieto解释说。

该团队通过采用600 µm厚的半绝缘砷化镓衬底，将其装入固体源Riber 32P MBE反应器的生长室，并沉积三层砷化镓来生产其器件。

在630℃下，生长从0.2 µm厚的n掺杂砷化镓缓冲区开始。在这之后，Prieto和合作者添加了一个在270℃下生长的2 µm厚的活性层，在600℃退火之前；接着是一个在600℃下生长的20 nm厚的n型砷化镓帽。

为了评估这种结构，研究人员还制作了一个未掺杂砷化镓缓冲层的结构。

使用标准的光刻工艺添加了金属触点，依次涉及晶圆清洗、光刻胶应用、软烘烤、掩模对准、UV曝光和显影。

对于光导天线的接触光刻，该团队使用了正向光刻胶和掩模对准器。

利用这些工艺，研究人员创建了一个由两个金属电极组成的赫兹偶极子天线，并由一个5微米的间隙分开。

该团队转而使用标准的太赫兹时域光谱系统来形成太赫兹发射器和探测器。一个工作在780纳米的光纤激光器提供了100 fs的脉冲，重复率为100 MHz，提供了光激发源。

两种类型的设备产生的发射都可以扩展到3 THz左右，这是由具有赫兹偶极天线的低温砷化镓形成的结构所预期的。对于约1 THz及以上的频率，当以0.8 mW泵浦功率激励时，掺杂和未掺杂结构之间的输出功率将下降一个数量级。比较两者太赫兹发射强度的峰值，掺杂样品有116%的增长。

作为探测器，掺杂样品在0.5THz提供了55dB的动态范围，这个数字比未掺杂的控制组高5dB。
（上图显示的是掺杂缓冲层的三层砷化镓结构）。


Prieto和合作者正计划制造更多的原型，以使该技术更快应用。

关于这项工作的更多细节，请参见E. A. Prieto等人撰写的论文 "Trilayer Low-temperature-grown GaAs terahertz emitter and detector device with doped buffer"；Appl. Phys. Express 13 082102 (2020)。