專利名稱：光導器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光導器件，且具體涉及一種用于電磁輻射尤其是 太赫茲輻射的產(chǎn)生和檢測的光導器件。
背景技術：
近來，在關于連續(xù)波(CW)和脈沖方式的太赫茲技術方面的進步 正開辟新的研究途徑，并且實現(xiàn)寬廣范圍的基礎科學和應用科學應用， 所述基礎和應用科學包括亞毫米波化學、醫(yī)學、天體物理學、毫米波
RF傳感器、防碰撞雷達系統(tǒng)以及超速信號處理。
太赫茲(THz)輻射的使用已經(jīng)被提出，特別是用于關于安全、 材料確認和干擾指示的成像技術。因為許多原因，但主要是因為它避 免了 x射線的會對活體組織具有破壞性的電離效應，所以THz輻射的 使用在這些應用中優(yōu)選于x射線輻射。然而，THz輻射在產(chǎn)生許多應 用所需的帶寬和功率水平方面是昂貴的。
公知的THz輻射源包括耿氏二極管，其在達到800GHz的頻率下 工作，但輸出功率低。對于800GHz以上的頻率，通常使用遠紅外氣體 激光器。雖然它們能產(chǎn)生較高的輸出功率，但是它們體積大、功耗大， 并且受制于關鍵的對準問題。
一種可選擇的公知方法包括光混頻的外差變頻。根據(jù)這種方法， 固態(tài)檢測器被耦合到可調諧光學系統(tǒng)。該固態(tài)檢測器是光混頻器的形 式，包括光導材料層以及由該光導材料分離的電極。偏置電壓跨過所 述電極被施加。
6可調諧光學系統(tǒng)包括兩個單頻激光器或用于產(chǎn)生多模頻率的單個 激光二極管。具有略微不同的頻率的激光束由可調諧光學系統(tǒng)施加到 混頻器。不同頻率的激光束的混合在THz范圍內(nèi)以調制頻率或差頻來 調制光導材料的光導率，從而產(chǎn)生具有THz范圍內(nèi)的單個頻率或多個
頻率的電信號。光混頻器與集成發(fā)射天線連接，并且產(chǎn)生的電信號通
過天線，從而產(chǎn)生THz電磁輻射。
在這些公知的THz源中使用的光混頻器件通常是單層器件，并且 通常由低溫GaAs (LT-GaAs)形成。
LT-GaAs具有短的光導壽命(K0.25ps)、高的擊穿電場強度(EB>5 X10SVcm")以及相對較高的遷移率(p"200cm2/Vs)。然而，光混頻 器中的局部發(fā)熱的問題已經(jīng)成為限制LT-GaAs光混頻器中的轉換效率 的主要因素。根據(jù)光導壽命在高施加電壓偏置電平的條件下增加的這 樣一種觀測結果，另外一個實際的限制趨向于減少從LT-GaAs光混頻 器輸出的在較高頻率范圍的功率水平。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單層LT-GaAs光混頻器的輸出功率在較高頻率下大幅衰 減。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，因為器件過熱而不能有效工作，所以不能通過 增加輸入激光束的功率來將這種器件的輸出功率增大到特定水平之 上。
類似的單層LT-GaAs光混頻器還用于脈沖技術，其中輻射脈沖被 施加到光導LT-GaAs材料，使得瞬態(tài)電流流過偏置電極之間的光導材 料。電流被傳輸經(jīng)過發(fā)射天線以產(chǎn)生電磁輻射。如果脈沖的長度足夠 短到毫微微秒，那么瞬態(tài)電流將會包括THz頻率的分量(component)。
因為合成的脈沖輻射將會包括寬范圍的不同頻率的分量，所以這 種脈沖技術的固有特性是寬帶。源自單層LT-GaAs的使用的在較高功 率下的過熱問題以及功率與頻譜的關系的限制仍然產(chǎn)生作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進的或者至少可選擇的光導器件。
在第一個獨立的方面，本發(fā)明提供一種光導器件，包括多個光導層，每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其中光導層被電連接在一起。
通過提供多個被電連接在一起的光導層，來自每個光導層的信號可以被合并。多個光導層可以吸收比單個光導層單獨吸收的量高的量的施加到器件的光泵浦輻射，因此可以提供改善的效率。特別地，來自包括多個光導層的器件的輸出功率可以比包括單個光導層的相似器件的更高。
光導器件可以具有一個光導層堆疊在另一個光導層的頂部上的堆疊結構。
光導材料是當暴露于光或其它電磁輻射時其電導率變化的材料。當沒有暴露于光或其它電磁輻射時，光導材料通常是半導電的或絕緣的，并且具有下面這樣的電導率，即，所述電導率隨施加到光導材料的適當頻率的輻射的幅度而變化。
在電極之間的電連接或每個電連接可以包括金屬性的材料。該電連接或每個電連接優(yōu)選為非光導材料。通過在沉積之后對光導材料進行摻雜而形成該電連接或每個電連接，或者通過在沉積之后蝕刻光導材料并且在每個蝕刻圖案中沉積金屬性材料而形成該電連接或每個電連接。
優(yōu)選地，該器件還包括用于跨過每個光導層的電極施加偏置電壓的偏置電壓源。如果偏置電壓跨過電極被施加，那么由于輻射的應用而造成的光導材料的光導率變化將會引起在電極之間流動的電流的變化。如果特定頻率的輻射被施加到光導材料，那么可以在電極之間獲得該頻率下的交流電流。
光導層可以是光混頻層，而光導器件可以是光混頻器件。
在操作中，每個光混頻層可以接收兩個或更多個不同頻率的電磁輻射束的混合或疊加，因此，每個光導層的光導率可以以等于不同束的頻率之間的差的差頻或調制頻率而被調制。
優(yōu)選地，光導層被串聯(lián)地電連接。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，對于特定的實施例，通過串聯(lián)電連接光導層，可以獲得期望的功率與頻率的關系特性，特別是在較高頻率下，以及較快的響應。相比于只有單個光導層或多個并聯(lián)連接的光導層的類似的器件，對于具有串聯(lián)地連接的光導層的器件，這些實施例的在更高頻率下的功率與頻率的關系的滾降可以更加平緩。其中光導層被串聯(lián)地
電連接的光導器件可以特別用作輻射源。
一個層的至少一個電極可以串聯(lián)地電連接到至少另外一個層的至少一個電極。
對于每個光導層，每個電極可以串聯(lián)地電連接到相鄰光導層的電極。
可選擇地，光導層被并聯(lián)地電連接。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，通過并聯(lián)電連接光導器件的光導層，可以在操作中獲得增加的光導率以及因此增加的吸收率。其中光導層被并聯(lián)地電連接的光導器件可以特別用作檢測器。光導材料可以包括硅基材料。
硅基材料的熱導率可以相對地高，并且因此在包括硅基材料的特定實施例中，熱量可以更快地被驅散，從而減輕了器件在操作中的過熱問題并且實現(xiàn)了較高光輸入功率的使用。此外，硅基材料可以被沉積在寬范圍的不同材料上，并且可以被沉積在多層上，從而實現(xiàn)具有期望的物理特性和電學特性的器件的制作。另外，硅基材料可以比關
于LT-GaAs的例子具有更大的擊穿電場強度。擊穿電場強度以及電極之間的間隙Wg，可以確定最大偏置電壓(Vb),并且Vb越高，輸出
功率越高。
光導材料可以包括納米晶硅(nc-Si)和非晶硅(a-Si)中的一種，并且優(yōu)選地包括氫化納米晶硅(nc-Si: H)和氫化非晶硅(a-Si: H)中的一種。
那些材料已經(jīng)特別地被發(fā)現(xiàn)具有相對較高的熱導率和期望的電屬性的結合。
非晶硅(a-Si)是Si的非晶同素異形形態(tài)。非晶硅(a-Si)可以被氫化以減少懸空鍵的數(shù)目并且穩(wěn)定電子性態(tài)，從而生成氫化非晶硅(a-Si: H)。
納米晶硅(nc-Si)是Si的多晶形態(tài)。納米晶硅(nc-Si)可以包括硅的納米級微晶，所述納米級微晶被埋入在非晶硅(a-Si)基體中。氫化納米晶硅(nc-Si: H)可以包括硅的納米級微晶，所述納米級微晶被埋入在氫化非晶硅(a-Si: H)基體中。
在氫化材料中的氫化程度可以由氫稀釋比！^H2/SiH4表征。優(yōu)選地，氫稀釋比在3和10之間，并且更優(yōu)選地基本上等于10。非晶硅(a-Si)、氫化非晶硅(a-Si: H)、納米晶硅(nc-Si)、氫化納米晶硅(nc-Si: H)中的每個都可以生長在具有高熱導率的襯底上，因此減少過熱問題。此外，那些材料中的每一種都可以一層疊一層地生長，從而實現(xiàn)多層器件的制作。與此不同，LT-GaAs不能容易地一層疊一層地生長，使得多層結構的制作困難。
光導器件可以具有2個到20個光導層，或者3個到10個光導層，并且優(yōu)選地具有4個到6個光導層。
光導層的平均厚度可以在10nm至U 1200nm之間，或者在100nm到500nm之間，并且優(yōu)選地在200nm到400nm之間。
對于每個光導層，多個電極可以是叉指型(interdigitated)電極。每個叉指型電極可以具有2個到40個指狀物，優(yōu)選地具有10個到30個指狀物，更優(yōu)選地具有15個到25個指狀物。對于每個層可以具有兩個電極，這兩個電極可以被認為是陽極和陰極。
優(yōu)選地，對于每個光導層，在該層的一個電極和該層的另外一個電極之間的最短距離在O.Olnm到10pm之間，或者在0.05pm到5pm之間，并且優(yōu)選地在0.05pm到2^im之間。對于該器件，為了制得電阻、電容和/或偏置電壓的期望值，可以選擇間隙大小。
器件還包括襯底。通過提供適當?shù)囊r底，可以改善熱特性和結構特性。優(yōu)選地，堆疊的光導層被堆疊在襯底上。
襯底可以包括具有高于1Wcm+C"的熱導率的材料，優(yōu)選具有高于10Wcm"。C"的熱導率的材料，并且更優(yōu)選具有高于50Wcm—"C"的熱導率的材料。
11襯底可以包括金剛石、SiC和藍寶石中的一個。
通過使用金剛石或SiC襯底可以增加器件的散熱速率，金剛石和 SiC中的每一個都具有高熱導率。與此不同，在現(xiàn)有技術LT-GaAs基 器件中，因為LT-GaAs不能成功地沉積在這種材料上，所以不會考慮 包括金剛石或SiC襯底，或者類似的高熱導率材料。
襯底可以包括反射層(例如，電介質、金屬或DBR (分布式布拉 格反射)鏡)。因此，已經(jīng)穿過光導器件的輻射可以被反射回來穿過 光導器件，使得吸收更大量的輻射以及增加光導率。另外，抗反射涂 層可以被添加到器件的頂部以提高輸出功率。抗反射涂層優(yōu)選布置成 使得它允許光穿入到器件中但反射來自器件內(nèi)部的光。
光導材料可以響應在從25GHz到10THz的范圍、從50GHz到5THz 的范圍、從100GHz到3THz的范圍以及從lTHz到3THz的范圍中的 至少一個范圍內(nèi)的頻率的輻射。
光導材料能響應具有在一范圍內(nèi)的頻率的輻射的意思是，如果該 頻率的輻射被施加到光導材料，那么光導材料的電導率響應于電磁輻
射而變化。
光導器件可以相對于至少一個輻射源被布置成從所述至少一個輻 射源接收輻射。優(yōu)選地，光導器件被布置成使得來自輻射源的輻射在 垂直于光導層的方向上被接收。
接收的輻射可以是激光輻射。接收的輻射可以是連續(xù)波(CW)輻 射?？蛇x擇地，接收到的輻射可以是脈沖的輻射，例如來自毫微微秒 激光源的例子，所述激光源具有從幾個Hz到幾個GHz的重復頻率。 接收到的輻射可以具有25GHz到10THz的范圍中的至少一個差頻，優(yōu) 選地具有在從100GHz到5THz的范圍內(nèi)的至少一個差頻，并且更優(yōu)選地具有在從500GHz到3THz的范圍內(nèi)的至少一個差頻。
接收到的輻射可以包括兩個或更多個輻射束的疊加。輻射束可以 是激光束。光導器件可以接收輻射束的混合和疊加，輻射束的混合和 疊加形成調制信號，該調制信號具有等于已混合或疊加的輻射束的頻 率之差的差頻或調制頻率。
調制信號可以具有在25GHz到10THz的范圍中的至少一個頻率， 優(yōu)選地具有在從50GHz到5THz的范圍內(nèi)的至少一個頻率，并且更優(yōu) 選地具有在從25GHz到3THz的范圍內(nèi)的至少一個頻率。調制信號可 以具有至少一個大于或等于lTHz的頻率。
在接收到的輻射是脈沖的輻射的情形下，該脈沖在時域內(nèi)可以是 方波脈沖。該脈沖可以在頻域內(nèi)被整形。
至少一個輻射源可以包括多個輻射源，例如多個激光器，并且每 個輻射源可以被構造用來發(fā)射不同頻率的輻射。至少一個輻射源可以 是多模激光器，其被構造成同時發(fā)射兩個或更多個不同頻率的激光輻 射。
所述器件可以包括在發(fā)射器中，發(fā)射器可包括發(fā)射天線，其中所 述光導器件與發(fā)射天線連接，并且在操作中，響應于由光導器件接收 的輻射而產(chǎn)生的電信號被傳遞到發(fā)射天線以產(chǎn)生電磁輻射。
產(chǎn)生的輻射可以包括太赫茲范圍內(nèi)的輻射。產(chǎn)生的輻射可以是連 續(xù)波(CW)輻射。優(yōu)選地，產(chǎn)生的輻射包括具有從25GHz到10THz 的范圍、從50GHz到5THz的范圍、從lOOGHz到3THz的范圍以及從 lTHz到3THz的范圍中的至少一個范圍內(nèi)的頻率的輻射。優(yōu)選地，產(chǎn) 生的輻射具有至少一個大于或等于1THz的頻率。
13所述器件可以包括在檢測器內(nèi)，其中檢測器包括檢測電路，光導 器件與檢測電路連接。在操作中，響應于由光導器件接收的輻射而產(chǎn) 生的電信號被傳遞到檢測電路。
光導器件的電極可以被連接到檢測電路，以檢測由光導器件產(chǎn)生 響應于待檢測的電磁輻射而產(chǎn)生的電信號。檢測電路可以被構造用來
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所述器件可以被布置成使得在操作中待檢測的電磁輻射和調制后 的電磁輻射都被光導器件所接收。所述器件可以被布置成使得待檢測 的電磁輻射在器件的一側被接收，而調制后的電磁輻射在器件的另一 側被接收，或者被布置成使得待檢測的電磁輻射和該調制信號或一調 制信號在器件的同一側被接收。
在另一獨立方面，提供了一種制造光導器件的方法，包括在襯 底上形成光導層的堆疊，每個光導層包括光導材料以及各自的多個電 極；以及將堆疊的光導層電連接在一起。
堆疊的光導層的電連接可以包括下面中的一個將所述層串聯(lián)電 連接；和將所述層并聯(lián)電連接。
光導材料可以包括硅基材料。
光導材料優(yōu)選地包括納米晶硅和非晶硅中的一種，并且更優(yōu)選地 包括氫化納米晶硅和氫化非晶硅中的一種。
襯底優(yōu)選地包括金剛石和SiC中的一種。
每個光導層的形成可以包括利用下面過程中的至少一種工藝來沉 積光導材料氣相沉積工藝，分子束外延(MBE)工藝；平版印刷工藝，特別是深紫外平版印刷工藝；和化學或熱分解工藝。
所述方法還可以包括為了獲得參量RC的期望值，其中R是器件
的電阻且C是器件的電容，選擇下面中的至少一個光導材料；光導 層的數(shù)目；層之間的電連接是串聯(lián)連接或并聯(lián)連接；層和/或電極的大 ??；以及層和/或電極的幾何參數(shù)。
在另一個獨立方面，提供了一種發(fā)射器，包括光導器件，包括 多個光導層，每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其中光導 層被電連接在一起；電磁輻射源，用于施加電磁輻射給光導器件；以 及發(fā)射天線，與光導器件電連接，以接收由光導器件響應于所施加的 電磁輻射而產(chǎn)生的電信號。
施加的電磁輻射可以是兩個或更多個電磁輻射束的混合或疊加， 優(yōu)選地為電磁輻射的連續(xù)波(CW)束?？蛇x擇地，施加的電磁輻射可 以是電磁輻射脈沖。
在又一個獨立的方面，提供的是一種用于檢測電磁輻射的檢測器， 包括光導器件，用于接收待檢測的信號，包括多個堆疊的光導層， 每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其中所述堆疊的光導層 被電連接在一起；電磁輻射源，用于施加調制信號給所述光導器件； 以及檢測電路，與所述光導器件電連接，以檢測響應于所述調制信號 和所述待檢測的信號而產(chǎn)生的電信號。
在又一個獨立的方面，提供的是一種用于產(chǎn)生電磁輻射的方法， 包括將電磁輻射施加給光導器件，光導器件包括多個堆疊的光導層， 每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其中堆疊的光導層被電 連接，該方法還包括合并由每個光導層響應于電磁輻射而產(chǎn)生的電信 號，以及將合并的信號傳遞給發(fā)射天線。
15在又一個獨立的方面，提供的是一種用于檢測電磁輻射的方法， 包括將待檢測的電磁輻射和調制信號施加給光導器件，光導器件包括 多個堆疊的光導層，每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其 中堆疊的光導層被電連接，該方法還包括合并由每個光導層響應于調 制信號和待檢測的電磁輻射而產(chǎn)生的電信號，以及將所合并的信號傳 遞給檢測電路。
調制信號可以包括輻射束的混合和疊加，輻射束的混合和疊加可 以具有等于混合或疊加的束的頻率之差的差頻或調制頻率。調制信號
可以具有從25GHz到10THz的范圍、從50GHz到5THz的范圍、從 100GHz到3THz的范圍以及從lTHz到3THz的范圍中的至少一個范圍 內(nèi)的頻率的輻射。優(yōu)選地，調制信號具有至少一個大于或等于lTHz的 頻率。
在本發(fā)明的一個方面中的任何一個特征都可以以任何適當?shù)慕M合 被應用到本發(fā)明的其它方面。特別地，產(chǎn)品特征可以被應用到方法特 征，并且反之亦然。


現(xiàn)在，將參照附圖僅通過例子的方式來描述本發(fā)明的實施例。
圖1是優(yōu)選實施例的光導器件的截面，示出了不同光混頻層的電 極之間的串聯(lián)連接；
圖2是圖1的光導器件的透視圖，示出了該光導器件連接到偏置 電壓源；
圖3是包括根據(jù)優(yōu)選實施例的光導器件的發(fā)射器的示意圖4a是示出了連接到螺旋天線的光導器件的示意圖4b是示出了連接到偶極天線的光導器件的示意圖5是示出了包括根據(jù)優(yōu)選實施例的光導器件的檢測器的示意
16圖6是圖1的光導器件的變體的截面，其中不同光導層的電極并 聯(lián)電連接；
圖7是表示光導器件電路的模型電路；
圖8是各種單層光混頻器和3層光混頻器的所計算的輸出功率與 差頻之間的關系的曲線圖9是兩種不同的單層光混頻器和3層光混頻器的輸出功率與光 泵浦功率之間的關系的曲線圖10是各種Si光混頻器的所計算的輸出功率與差頻之間的關系 的曲線圖，所述各種Si光混頻器具有其中不同數(shù)目的層被并聯(lián)連接的 構造；以及
圖11是各種Si光混頻器的所計算的輸出功率與差頻之間的關系 的曲線圖，所述各種Si光混頻器具有其中不同數(shù)目的層被串聯(lián)連接的 構造。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)優(yōu)選實施例的光導器件2。光導器件2包括氫化 納米晶硅(nc-Si:H)形式的光導材料4，其由埋入在非晶硅(a-Si)的 基體中的硅的納米級微晶構成。
沉積光導材料，以在金剛石襯底14上形成4個光導層6、 8、 10、 12。每層還包括一對電極16、 18，它們在沉積過程中被倒下平放。每 層的每個電極16、 18被串聯(lián)電連接到相鄰層20、 22的電極。
光導層的數(shù)目在不同實施例中是不同的?？梢赃x擇光導層的數(shù)目， 以提供如下更詳細討論的期望的響應特性。在優(yōu)選實施例的變體中， 具有期望的結構屬性或電屬性的中間層被設置在光導層之間。
在優(yōu)選實施例中，光導器件2被用作光混頻器件，并且光導層6、 8、 10、 12是光混頻層。用于形成分層半導體結構的任何公知工藝都可以被用于制造光導
器件2，包括化學氣相沉積、分子束外延(MBE)、或化學或熱分解。
電極可以利用任何用于在半導體結構中形成電連接的公知技術來形 成，所述公知技術包括平版印刷技術或電子束直描技術。
在優(yōu)選實施例中，通過硅烷的催化熱分解以及通過等離子體增強
化學氣相沉積(PECVD)來制備薄膜a-Si (<lpm)。薄膜光導體通過 沉積技術由薄膜a-Si制造，所述沉積技術通過熱絲分解和氫稀釋技術 來實現(xiàn)帶隙改變，以給入射激光波長提供精確的光譜匹配。該方法改 變器件中的缺陷分布，因此改變俘獲-復合動力學以及進而改變光載流 子壽命。對脈沖激勵的光導響應可以利用瞬時-穩(wěn)態(tài)技術來分析，以便 確保已經(jīng)獲得期望的光導屬性。
在優(yōu)選實施例中，利用電子束平版印刷術來形成較小的附加特征， 例如光混頻電極，而利用光刻技術來形成較大的附加特征，例如天線。 可選擇地，并且特別對于大規(guī)模生產(chǎn)，DUV (深紫外光)平版印刷術 可以用于小至50nm的特征。
相同的制造技術用來依次制作每個光混頻層。在已沉積第一層硅 材料之后，調整它的光導屬性，并且添加電極和連接，沉積又一層硅 材料，調整所述又一層的光導屬性，并且添加電極和連接。
用作光導材料的納米晶硅(nc-Si:H)表現(xiàn)出亞皮秒電子空穴復合 時間(T<250fs)以及達到(50cm2/Vs)的高遷移率。另外，該材料具 有良好的對金剛石襯底材料和其它可能的襯底材料的粘附力，并且表 現(xiàn)出其它有利的特性，諸如低應力、在數(shù)量級為18的范圍內(nèi)變化的可 變暗電阻率以及可控光學屬性(折射率和吸收系數(shù))。該材料還具有 高的擊穿電場(與LT-GaAs的EB>5 X lOVcm-1相比，EB>1 X lC^Vcm") 以及大約是LT-GaAs (k-0.46Wcm'"CT1)的3倍的熱導率(k-1.3Wcm'1
tr1)。
18通過使用具有高熱導率的金剛石襯底14，散熱速率也增加。與此
不同，LT-GaAs基的現(xiàn)有技術不包括金剛石襯底，或者類似的高熱導 率材料，因為LT-GaAs —般不能成功地沉積在這種材料上。
在優(yōu)選實施例的變體中，金剛石襯底14由SiC襯底或者具有高熱 導率的其它襯底材料代替。此外，非晶硅(a-Si)或氫化非晶硅(a-Si:H) 可以代替納米晶硅(nc-Si)而被使用。所有這些材料都適合于在超速 光導檢測器或光混頻器中使用。在a-Si和氫化非晶硅(a-Si:H)中，測 得載流子弛豫時間少于4ps以及瞬時遷移率為0.5-5cm2/Vs。
圖2以透視圖示出了優(yōu)選實施例的光導器件2，該光導器件2與 偏置電壓源24連接。在圖2中可以看出，每層的電極16、 18都是叉 指型電極。每層都具有兩個電極16、 18，每個電極都具有多個互相交 叉的指狀物。在圖2中還示出了下面這樣的通路，即，在垂直于光導 層的方向上，通過處于對光泵浦(optical pump beam) 26形式的信號進 行調制的操作中的光導器件2。
在圖1和2中示出的實施例中，光導器件面對光泵浦的有源區(qū)是 6X6pm2。叉指型電極指狀物具有O.lpm的寬度，在電極指狀物之間 具有0.16pm的間隙。間隙和電極指狀物的總數(shù)分別是22和23。
圖3示出了優(yōu)選實施例的包括在發(fā)射器中的光導器件2。光導器 件2與偏置電壓源24和天線30電連接。輻射源32相對于光導器件2 而被設置成在垂直于光導器件層的方向上將調制電磁輻射引向光導器 件2。在優(yōu)選實施例中，輻射源32是穩(wěn)定的雙波長系統(tǒng)，包括與體布 拉格光柵耦合的InGaAs 二極管激光器。來自輻射源32的輸出束穿過 準直透鏡和聚焦透鏡布置(未示出)并且被聚焦在光導器件2的有源 區(qū)上。系統(tǒng)具有從0.5nm (0.16THz)到6.5nm (2.05THz)的光譜分離。 因此，在這個例子中，在一個極端， 一個束具有971.5nm的波長，另外一個束具有978nm的波長，給出2.05THz的差頻。在雙波長操作中 可以實現(xiàn)達到2W的功率。
在圖4a和4b中示出了光導器件2可以與之連接的天線的設計的 例子。在圖4a中，光導器件2與自補型螺旋天線40連接以用于寬帶操 作。在圖4b中，光導器件2與偶極天線42連接以用于窄帶操作。
在操作中，偏置電壓源24跨過每個光導層6、 8、 10、 12的電極 施加直流偏置電壓，并且當光導器件被照射時引起電流流動。通過將 光泵浦形式的調制信號施加到光導器件2，輻射源32照射光導器件2。 光泵浦由來自輻射源32的具有略微不同的頻率的兩個連續(xù)波(CW) 激光束的疊加構成。
如在圖2中示意性地示出的，當光泵浦穿過每個光導層6、 8、 10、 12時， 一定比率的光泵浦被光導層吸收，從而對該光導層的光導率進 行調制。該光泵浦具有與構成它的兩個激光束之間的頻率之差相等的 差頻或調制頻率。因此，每個光導層的光導率以等于調制頻率或差頻 的頻率隨著時間變化。進而，光導率的變化引起在每個光導層的電極 之間流動的電流的大小隨著等于調制頻率或差頻的頻率而變化，其中 所述每個光導層的電極由直流偏置電壓驅動。
在圖3的布置中，來自串聯(lián)連接的光導層的合成的交流電流流過 天線30，引起調制頻率或差頻的電磁輻射的產(chǎn)生和發(fā)射。在實施例的 一個變體中，光導器件2和關聯(lián)的天線30位于與塑料透鏡(未示出) 對準的硅超半球透鏡(未示出)上，所述透鏡用于將發(fā)射的電磁輻射 聚焦在目標上。
在另外一個實施例中，在圖5中所示，光導器件2被用于檢測器 而不是發(fā)射器。光導器件2與檢測電路50和天線結構52電連接。設 置激光輻射源，并且相對于光導器件2被布置成使得來自輻射源的脈
20沖的激光輻射54被光導層接收。
當激光脈沖碰撞光導器件2時，它產(chǎn)生短時間存在的電子空穴對。
將被檢測的太赫茲輻射在天線結構52處被接收，并且電子空穴對在引
入的太赫茲電場的影響下流過天線結構。流過天線結構的電流由檢測
電路50檢測到。
因為檢測電路50只在對應于激光脈沖的長度的大約皮秒期間檢 測太赫茲輻射，所以需要應用幾個激光脈沖以獲得引入的太赫茲輻射 的全波形。為了獲得全波形，通過少量增加激光脈沖到光導器件2的 光程長度，激光脈沖的到達時間被少量增加了。對于每一增量，測量 對應于在天線處接收的電場的經(jīng)過天線的電流，從而產(chǎn)生太赫茲波的 多個部分的測量結果。劃分的測量結果然后結合以獲得全波形。
具有太赫茲范圍內(nèi)的差頻的一對已調諧的連續(xù)波激光可以代替脈 沖源被使用。在那種情況下，通過在天線處接收的太赫茲輻射的接收 而產(chǎn)生的信號以差頻而被調制，從而在檢測電路處產(chǎn)生直流輸出信號， 該信號表示接收到的太赫茲輻射的以差頻的分量。通過控制已調諧的 激光源的操作，可以改變調制頻率或者差頻，并且因此在整個期望的 范圍內(nèi)掃描檢測頻率。
上面描述的實施例是多層結構，其中不同的光導層被串聯(lián)電連接。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，對于一些實施例，與單層光導器件相比，如此串聯(lián)連 接的光導層可以在THz范圍內(nèi)的較高頻率提供更好的性能，特別是， 在較高頻率的輸出功率更高，以及在較高頻率的滾降更加平緩。
在實施例的變體中，不同的光導層被串聯(lián)電連接。圖1的器件的 變體的例子在圖6中被示出，其中光導層被并聯(lián)連接。并聯(lián)而不是串 聯(lián)地連接光導層可能適合于特定的應用，并且可以在功率與頻譜的關 系的特定區(qū)獲得期望的功率與頻率的關系的特性。在上述的實施例中，兩個或更多個不同頻率的輻射束在光導層中 被混合，以調制頻率或差頻產(chǎn)生輸出電流。因此，光導層用作光混頻 層并且器件作為光混頻器件操作。以差頻產(chǎn)生窄帶輻射。
實施例還可以用在寬帶太赫茲技術中，其中，輻射的脈沖被施加 到光導層。瞬時電流響應于脈沖的輻射被產(chǎn)生，具有寬范圍的不同頻 率的分量。瞬時電流穿過天線，產(chǎn)生具有寬范圍的不同頻率的脈沖輻 射。施加的脈沖的長度在優(yōu)選實施例中被選擇得足夠短以確保產(chǎn)生的 輻射具有太赫茲頻率的分量。
為了提供可以包括任何期望數(shù)目的光導層并且能夠有效地散熱光
導體器件，在所描述的實施例中，使用硅基的材料，諸如非晶硅(a-Si) 或納米晶硅(nc-Si)，以及使用具有高熱導率的襯底。因此，較高的 光功率可以被施加給這種器件，而不會引起由于過熱造成的問題，因 而提供較高的輸出功率。
為了理解可以在使用多個串聯(lián)連接或并聯(lián)連接的光導層的特定實 施例中獲得的有利效果，作為差頻或調制頻率函數(shù)以及作為單層和多 層光混頻器的光泵浦功率的函數(shù)的輸出功率已經(jīng)被模型化，其中所述 光混頻器包括Si基光混頻器和LT-GaAs基光混頻器。
已經(jīng)被模型化的光混頻器包括包含3個串聯(lián)連接的光混頻Si基層 的混頻器、單層LT-GaAs光混頻器、以及具有串聯(lián)連接或并聯(lián)連接的 1、 2或6個層的Si基光混頻器。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是光混頻器可以被模型化為在圖7中所示的模型電 路，包括具有偏置電壓VB的偏置電壓源、表示輻射阻抗的等于天線的 總體電阻(典型地從30Q到250Q)的電阻RL、表示光混頻器的隨時 間變化的光導率G (t)、以及表示光混頻器2的電容C的電容器。光混頻器電路的模型考慮了光導率G(t)，其是所吸收的光功率、 福射阻抗Rl，電容C (由電極幾何參數(shù)確定)、材料的介電常數(shù)以及 電壓偏置Vb的函數(shù)。
對于單層光混頻器的輸出功率的模型已經(jīng)在下面的文獻中提出，
艮卩, "Coherent millimeter-wave generation by heterodyne conversion in low-temperature-grown GaAs photoconductors"(布朗等人，應用物理 雜志73,1480-1484(1993))。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，單層模型可以用于當層被并聯(lián) 電連接和當層被串聯(lián)電連接時的多層情形。
在多層情形中的光導率為
<formula>formula see original document page 23</formula>
其中，^是內(nèi)部量子效率，r是載流子壽命，e是電子電荷，P是 電荷載流子的遷移率(對于電子和空穴平均)，A^是每層的電極的指 狀物之間的間隙的數(shù)目，^是每層的電極的指狀物的數(shù)目，p。是入射 電磁輻射的功率，r是電磁輻射入射到其上的表面的反射率，w是光導 層的數(shù)目，"是吸收系數(shù)，"是每層的厚度，A是普朗克常量，v是頻 率，^是電極的指狀物之間的間隙的平均寬度，^是電極的指狀物的 平均寬度。
電容C，可以被表示為電極幾何參數(shù)和光導材料的介電常數(shù)的函 數(shù)，由靜電理論推得。
對于并聯(lián)連接的多層，電容為
<formula>formula see original document page 23</formula>其中，^是相對介電常數(shù)，s。是自由空間的介電常數(shù)，^是光導器 件的有效面積，以及^是常數(shù)。
對于串聯(lián)連接的多層，電容為
;r.(l + gr)g0. ^
2
(3)
在小信號極限理論(G。RL<<1) [2]中，差頻功率(即，作為差頻 或者調制頻率的函數(shù)的輸出功率)被降低到
"2(1 + "2一)(1 + ^") (4) 其中，^是負載電阻，^是偏置電壓，以及"是差頻或者調制頻率。
模型化的Si基光混頻器的全部有效面積為6X6wm2，間隙和電極 寬度(^、 K)分別為0.16和0.1 um，使間隙和電極的總數(shù)(wg、 we) 分別是22和23。
關于50mW(入-850nm)的光泵浦功率A，Si基光混頻器為在lTHz 和2.5THz下達到高效操作，其幾何參數(shù)被優(yōu)化。下面的參數(shù)用來模型 化器件r=lps， s=11.8， Ae=40cm2/Vs， "=300nm， "-lXlO^m-1' r=0.3， "0.9并且RL =50 Q 。
利用相同的等式，LT-GaAs光混頻器的模型用下面這些參數(shù)來建 立『g=0.2nm，『e=1.8|im， wg =9 ， we=10， r=0.27ps， s=12.8， ^ = 167cm2/Vs， " = 1.2nm， "=1.5X K^cnT1, "=0.3， 7/=0.9并且RL =50 Q ?？傆行娣e是20X20nm2。這個模型與類似的LT-GaAs光混頻器 的實驗測量結果一致。
24圖8提供了下面光混頻器之間的比較(a)已優(yōu)化的3層Si基， (b) LT-GaAs (實驗結果)，(c) LT-GaAs (模型)，以及(d)單 層Si基(模型)，它們使用相同的尺寸。
可以看出，在lTHz下，模型化的LT-GaAs器件產(chǎn)生4.61 X l(T4mW 的輸出功率，而已優(yōu)化的3層串聯(lián)連接的Si基器件產(chǎn)生4.62X l(T3mW 的輸出功率。實際上，從圖8可以看出，在所有頻率下，3層串聯(lián)連接 的Si基器件所產(chǎn)生的功率都比單層GaAs器件和單層Si基器件所產(chǎn)生 的功率高。
如之前提到的，Si基材料可以具有3倍于LT-GaAs的熱導率，并 且可以生長在諸如金剛石這樣的能具有高達20倍于GaAs的熱導率的 襯底上。這使驅動光泵浦功率的增加變得容易，而不屈服于過熱問題， 結果產(chǎn)生了顯著較高的太赫茲輸出功率。
圖9示出了對于LT-GaAs器件、單層和3層Si基器件(已優(yōu)化的) 在lTHz下的光泵浦功率水平的范圍所計算的輸出。在200mW的泵浦 功率下，對于3層Si基器件，輸出被計算為74^W。
從圖9中可以看出，作為光泵浦功率的函數(shù)的輸出功率，在所有 的光泵浦功率范圍內(nèi)，3層Si基器件比單層GaAs器件和單層Si基器 件顯著高。
此外，注意，在室溫下，由于過熱效應，GaAs器件不能承受50mW 以上的泵浦功率。相反，Si基的器件可以承受顯著更高的泵浦功率。
根據(jù)電容等式(2)和(3)，可以推斷，在串聯(lián)構造中，N (層數(shù)) 變成一個除數(shù)而不是一個乘數(shù)，這對較高頻率下的輸出功率具有顯著 影響。
25圖10示出了在并聯(lián)構造中的單層、2層、3層和6層的器件的輸 出功率水平。在較高頻率下，6層的器件具有最大的衰減率。圖ll示 出了在串聯(lián)構造而不是并聯(lián)構造中的相同的單層、2層、3層和6層的 器件的輸出功率水平。
從圖10和11的比較可以看出，串聯(lián)構造在較高頻率下提供顯著 更好的特性，而且串聯(lián)構造在較高頻率下的滾降比并聯(lián)構造平緩。因 此，串聯(lián)構造更適用于在較高太赫茲頻率下的應用。串聯(lián)構造還可以 提供比并聯(lián)構造快的響應時間，因為器件電容比并聯(lián)構造低。并聯(lián)構 造可以提供比等效的串聯(lián)構造高的光導率，并且因此具有更高的吸收 率。如果器件用于產(chǎn)生太赫茲輻射，則串聯(lián)構造可以特別地適用，而 如果器件用于檢測太赫茲輻射，則并聯(lián)構造可以特別地適用。然而， 并聯(lián)和串聯(lián)構造均可以用于太赫茲輻射的檢測或者產(chǎn)生。
通過串聯(lián)連接光混頻層，在電容等式中表示層數(shù)的符號N變成除 數(shù)而不是乘數(shù)，因此層數(shù)越多，電容越低，這產(chǎn)生了更平坦的頻率響 應并且延伸了有用的頻率范圍。對于光混頻器件而言重要的是具有小 電容，因為RC常數(shù)決定較高頻率下的滾降率。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，對于任何給定的光泵浦功率，作為調制頻率或者 差頻的函數(shù)的來自串聯(lián)或并聯(lián)連接光混頻器器件的輸出功率，取決于 光混頻層的數(shù)目、層和電極的大小和幾何參數(shù)、以及光導材料的特性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，通過為器件選擇適當?shù)腞C常數(shù)，可以獲得期望的 功率與頻譜的關系，或者在特定單個頻率或多個頻率下的期望的功率 水平，通過選擇光導材料和/或通過選擇光混頻層的數(shù)目、層和電極的 大小和幾何參數(shù)進而可以獲得所述RC常數(shù)。通過增加層的數(shù)目，可以 增加從調制信號或者泵浦束吸收的功率量，但是也必須考慮電阻R和 電容C的值的變化，以確保獲得期望的功率/頻率響應。將理解的是，上面已經(jīng)僅通過例子的方式描述了本發(fā)明，而且在 本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對細節(jié)做出修改。
在說明書、以及(適當?shù)牡胤?權利要求書和附圖中公開的每個 特征都可以被單獨提供或以任何適當?shù)慕M合而被提供。
權利要求
1. 一種光導器件，包括多個光導層，每個光導層包括光導材料和各自的多個電極，其中所述光導層被電連接在一起。
2. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，其中所述光導層是光混頻層 并且所述光導器件是光混頻器件。
3. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，其中所述光導層被串聯(lián)電連接。
4. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，其中所述光導層被并聯(lián)電連接。
5. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，其中所述光導材料包括硅基 材料。
6. 根據(jù)權利要求5所述的光導器件，其中所述光導材料包括納米 晶硅(nc-Si)和非晶硅(a-Si)中的一種，并且優(yōu)選包括氫化納米晶硅(nc-Si: H)和氫化非晶硅(a-Si: H)中的一種。
7. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，還包括襯底。
8. 根據(jù)權利要求7所述的光導器件，其中所述襯底包括金剛石和 SiC中的一種。
9. 根據(jù)權利要求l所述的光導器件，其中所述光導材料能夠響應 以下至少一個范圍內(nèi)的頻率的輻射從25 GHz到10 THz的范圍、從 50 GHz到5 THz的范圍、從100 GHz到3 THz的范圍以及從1 THz到 3 THz的范圍。
10. 根據(jù)權利要求1所述的光導器件，其被包括在發(fā)射器中，所 述發(fā)射器包括發(fā)射天線，其中所述光導器件與所述發(fā)射天線連接，并 且在操作中，響應于由所述光導器件接收的輻射而產(chǎn)生的電信號被傳 遞到所述發(fā)射天線，以產(chǎn)生電磁輻射。
11. 根據(jù)權利要求1所述的光導器件，其被包括在檢測器內(nèi)，其 中所述檢測器包括檢測電路，并且所述光導器件與所述檢測電路連接， 并且在操作中，響應于由所述光導器件接收的輻射而產(chǎn)生的電信號被 傳遞到所述檢測電路。
12. —種制造光導器件的方法，包括在襯底上形成光導層的堆疊，每個光導層均包括光導材料和各自 的多個電極，以及將堆疊的光導層電連接在一起。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述堆疊的光導層的電連接包括以下一個將所述層串聯(lián)電連接；和將所述層并聯(lián)電連接。
14. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述光導材料包括硅基材料。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述光導材料包括納米晶 硅和非晶硅中的一種，并且優(yōu)選包括氫化納米晶硅和氫化非晶硅中的一種。
16. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述襯底包括金剛石和SiC中的一種。
17. 根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括為了獲得參量RC的期望值，其中R是所述器件的電阻且C是所述器件的電容，選擇下面中 的至少一個所述光導材料；所述光導層的數(shù)目；所述層之間的所述 電連接是串聯(lián)連接或并聯(lián)連接；所述層和/或所述電極的大小；以及所 述層和/或所述電極的幾何參數(shù)。
18. —種發(fā)射器，包括光導器件，包括多個光導層，每個光導層均包括光導材料和各自的多個電極，其中所述光導層被電連接在一起；電磁輻射源，用于將電磁輻射施加到所述光導器件；以及 發(fā)射天線，與所述光導器件電連接，以接收由所述光導器件響應于所施加的電磁輻射而產(chǎn)生的電信號。
19. 一種用于檢測電磁輻射的檢測器，包括光導器件，用于接收待檢測的信號，所述光導器件包括多個堆疊 的光導層，每個光導層均包括光導材料和各自的多個電極，其中所述 堆疊的光導層被電連接在一起；電磁輻射源，用于將調制信號施加到所述光導器件；以及 檢測電路，與所述光導器件電連接，以檢測響應于所述調制信號 和所述待檢測的信號而產(chǎn)生的電信號。
20. —種產(chǎn)生電磁輻射的方法，包括將電磁輻射施加到光導器件，所述光導器件包括多個堆疊的光導 層，每個光導層均包括光導材料和各自的多個電極，其中所述堆疊的 光導層被電連接，合并由每個光導層響應于所述電磁輻射而產(chǎn)生的電信號，以及將所合并的信號傳遞給發(fā)射天線。
21. —種檢測電磁輻射的方法，包括將待檢測的電磁輻射和調制信號施加到光導器件，所述光導器件 包括多個堆疊的光導層，每個光導層均包括光導材料和各自的多個電極，其中所述堆疊的光導層被電連接，合并由每個光導層響應于所述調制信號和所述待檢測的電磁輻射 而產(chǎn)生的電信號，以及將所合并的信號傳遞給檢測電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光導器件(2)，該光導器件(2)包括多個光導層(6，8，10，12)，每個光導層包括光導材料(4)和各自的多個電極(16，18)，其中光導層(6，8，10，12)被電連接在一起。
文檔編號G02F1/35GK101464608SQ20081018638
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者埃迪克·拉斐洛夫, 納爾特·達蓋斯塔尼 申請人:Ncr公司