專利名稱：室溫太赫茲波探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及半導(dǎo)體太赫茲光電技術(shù)領(lǐng)域的一種太赫茲波探測器，其可在室溫 下實現(xiàn)太赫茲波的靈敏探測。
背景技術(shù)：
太赫茲波(THz)是頻率為0. 3THz-30THz (波長約為10 μ m-lmm，光子能量約為 1. 2meV-120meV)的電磁波，它處于紅外波與毫米波之間，是電磁波譜中一個很重要的波 段。與傳統(tǒng)光源相比，太赫茲波輻射源具有相干、低能、穿透力強等獨特、優(yōu)異的特性，所以 它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及有機分子檢測、無損成 像、分子電子學(xué)、新材料研究和雷達(dá)通訊方面有重要的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有商用的太赫茲 探測器或是靈敏度低，或是探測頻率窄，或是反應(yīng)速度慢，或是體積龐大、需要低溫工作、價 格昂貴，或是制備工藝復(fù)雜等缺點。因此，研究人員長久以來一直渴望發(fā)展出一種較成熟 的靈敏度高，探測頻率寬，體積小，高速，廉價，室溫工作的商用太赫茲探測器，以大幅推動 THz技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。1993年，Dyakonov和Siur從理論上預(yù)言了高電子遷移率晶體管 (HEMT)能用于太赫茲波探測(參考 M. Dyakonov and Μ. S. Shur, Phys. Rev. Lett. Vol 71， p2465(1993)。于1998年由Jian-Qiang Lii和Siur等人制備出全球首個基于高電子遷 移率晶體管的太赫茲波探測器(參考Jian-Qiang Lu ；M. S. Shur, J. L. Hesler, L. Sun, and R. ffeikle, IEEE Electron Device Lett. Vol 19，ρ 373 (1998))，是一個基于 AlGaAs/GaAs 的二維電子氣的高電子遷移率晶體管，器件的源極和柵極間距為100納米，這樣由柵極產(chǎn) 生的信號能很快被源極接受，柵場也為100納米，用于形成二維電子氣的諧振腔，隨后有多 個實驗室制備出了類似的太赫茲波探測器。但是這一類探測器需要非常精確的微加工技 術(shù)，加工難度大，器件成功率低，并且需要在低溫下工作。要實現(xiàn)該類探測器的應(yīng)用，靈敏度 (一般為100V/W)還需一步提高，等效噪聲功率(lOOnW/Hz"2)還有待一步降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種室溫太赫茲波探測器，以克服現(xiàn)有高電子遷移率太赫 茲波探測器加工困難，靈敏度低，等效噪聲功率高等不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種室溫太赫茲波探測器，以高電子遷移率晶體管為基本結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 探測器還包括能夠有效耦合太赫茲波的天線，所述天線與高電子遷移率晶體管集成設(shè)置， 但與高電子遷移率晶體管的源極和漏極完全獨立。進(jìn)一步地講，所述高電子遷移率晶體管的源極和漏極之間設(shè)有一對蝶形天線，用 于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向的太赫茲電場。所述高電子遷移率晶體管的柵極連接在一個蝶形天線上，用于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生 縱向的太赫茲電場。所述高電子遷移率晶體管的源極和漏極相對于柵極是非對稱設(shè)置的。
所述高電子遷移率晶體管的柵極為兩個以上。所述高電子遷移率晶體管和天線集成設(shè)置于一二維電子氣基片的襯底外延片上。所述二維電子氣基片包括由上到下依次層疊的襯底外延片、隔離層、襯底層和基 底，所述高電子遷移率場效應(yīng)管的源極、漏極和柵極以及天線設(shè)置在形成于襯底外延片上 的臺面上，且該源極和漏極通過設(shè)置在襯底層中的二維電子氣通道連接。本發(fā)明以高電子遷移率場效應(yīng)管為基本結(jié)構(gòu)，與完全獨立于源極和柵極的新型蝶 形天線相集成，使太赫茲探測器具有極高的探測靈敏度。這種源極、漏極和天線分離的體 系，使得天線增強的電場不會通過源極和柵極的引線被削弱，源極和柵極的引線電極的非 太赫茲波信號不會通過引線進(jìn)入到溝道，可以避免信號間的相互串?dāng)_，能有效降低器件噪 聲，同時還可以有效克服源極和漏極由于歐姆接觸退火造成表面不平整對天線增強效率的 影響。另外，由于天線不依賴于源極和漏極，還能使天線間距變得更小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，即， 由庫倫定理可知，電場強度同距離的二次方成反比，當(dāng)天線間距縮小到納米級時，天線增強 的太赫茲波電場強度將近一步提高。優(yōu)選的，在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還采用多柵極結(jié)構(gòu)，使得柵極能夠更有 效的調(diào)節(jié)溝道二維電子氣濃度，激發(fā)等離子體波，并給予合適的邊界條件，能夠?qū)崿F(xiàn)等離子 波的定向傳播，從而實現(xiàn)太赫茲波探測器的高效、高速、高靈敏、低噪聲的室溫探測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于該室溫太赫茲波探測器通過采用獨立 于源極和漏極的蝶形天線結(jié)構(gòu)，并結(jié)合非對稱柵極和多柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效提高柵極 對二維等離子體波的調(diào)控，實現(xiàn)對太赫茲波的高速、高效、高靈敏和低噪聲探測，同時，該室 溫太赫茲波探測器能在室溫下工作，可顯著拓展太赫茲波的應(yīng)用范圍，并節(jié)省應(yīng)用成本。此 外，通過結(jié)合現(xiàn)有半導(dǎo)體微加工制造技術(shù)，可使本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)更小型化，有利于太赫茲系 統(tǒng)的高效集成。


圖1為本發(fā)明具體實施方式
中一種室溫太赫茲波探測器的俯視圖；圖2為圖1所示室溫太赫茲波探測器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；以上各圖中所示各標(biāo)記的含義為1-源極，2-漏極，3-柵極，4-天線，5-隔離層，6-二維電子氣通道，7-襯底層，8-基 底，9-臺面。
具體實施例方式本發(fā)明是通過高電子遷移率場效應(yīng)晶體管的柵極對二維電子氣的有效調(diào)控來實 現(xiàn)太赫茲波的探測，并在溝道處集成獨立于源極和漏極的蝶形天線結(jié)構(gòu)，以有效增強太赫 茲波電場。探測器能在太赫茲波照射下能產(chǎn)生光電流，或是開路電壓，獨立于源極和漏極的 天線能有效提高靈敏度，進(jìn)而實現(xiàn)高速、高效、高靈敏、低噪聲室溫探測。以下結(jié)合附圖及一較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。如圖1 2所示，該室溫太赫茲波探測器主要由高電子遷移率晶體管和一對蝶形 太赫茲天線4組成，其集成設(shè)置在一二維電子氣基片的襯底外延片上，該襯底外延片由現(xiàn) 有半導(dǎo)體技術(shù)工藝制備而成。前述蝶形天線設(shè)置在源極和漏極之間，并完全獨立于源極和漏極，用于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向的太赫茲電場。前述高電子遷移率晶體管的柵極連接在 一個蝶形天線上，用于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生縱向的太赫茲電場。同時，前述柵極可為多個，且 前述源極和漏極相對于柵極是非對稱設(shè)置的。該室溫太赫茲波探測器的制備過程如下首先通過半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)，在襯底 外延片上形成有源區(qū)(臺面)，并留下一個導(dǎo)電的二維電子氣通道6，然后通過微加工技術(shù)， 在臺面上制備出源極1、漏極2和柵極3，其中源極1和漏極2經(jīng)過高溫退火與二維電子氣 形成歐姆接觸，柵極3是肖特基接觸，通過調(diào)節(jié)柵壓可有效調(diào)控二維電子氣濃度，在做成柵 極的同時，也可以通過微加工技術(shù)制備出天線4。更進(jìn)一步的講，本發(fā)明的制作工藝包括如下具體步驟(1)利用成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)完成二維電子氣基片的制備；(2)采用紫外光刻和等離子體刻蝕等技術(shù)完成臺面隔離，留下二維電子氣導(dǎo)電通 道，制備出有源區(qū)；(3)通過紫外光刻、電子束蒸發(fā)、金屬剝離等技術(shù)制備出源極和漏極；再經(jīng)過高溫 退火使得源極和漏極形成歐姆接觸；(4)通過紫外光刻或電子束曝光、電子束蒸發(fā)、金屬剝離等技術(shù)制備出柵極和天線 結(jié)構(gòu)；(5)由現(xiàn)有成熟的半導(dǎo)體分裝技術(shù)，對器件進(jìn)行封裝，從而制備完成該室溫太赫茲 波探測器。綜上所述，本發(fā)明通過對高電子遷移率場效應(yīng)管的特殊的柵極設(shè)計能實現(xiàn)太赫茲 的探測，再由獨立于源極和漏極的合適尺寸的太赫茲天線結(jié)構(gòu)，有效增強太赫茲電場的增 強，從而真正實現(xiàn)高速、高效、高靈敏、低噪聲、廉價的室溫探測器的制備，這必將為太赫茲 的應(yīng)用開辟出一片更加廣闊的空間。上述實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種室溫太赫茲波探測器，以高電子遷移率晶體管為基本結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述探 測器還包括能夠有效耦合太赫茲波的天線，所述天線與高電子遷移率晶體管集成設(shè)置，但 與高電子遷移率晶體管的源極和漏極完全獨立。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述高電子遷移率晶體 管的源極和漏極之間設(shè)有一對蝶形天線，用于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向的太赫茲電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述高電子遷移率晶體 管的柵極連接在一蝶形天線上，用于在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生縱向的太赫茲電場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述高電子遷移率晶體 管的源極和漏極相對于柵極是非對稱設(shè)置的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述高電子遷移率晶體 管的柵極為兩個以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述高電子遷移率 晶體管和天線集成設(shè)置于一二維電子氣基片的襯底外延片上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的室溫太赫茲波探測器，其特征在于所述二維電子氣基片包 括由上到下依次層疊的襯底外延片、隔離層、襯底層和基底，所述高電子遷移率場效應(yīng)管的 源極、漏極和柵極以及天線設(shè)置在形成于襯底外延片上的臺面上，且該源極和漏極通過設(shè) 置在襯底層中的二維電子氣通道連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種室溫太赫茲波探測器，以高電子遷移率晶體管為基本結(jié)構(gòu)，且還包括能夠有效耦合太赫茲波的天線，天線與高電子遷移率晶體管集成設(shè)置，但與高電子遷移率晶體管的源極和漏極彼此獨立。進(jìn)一步的講，前述源極和漏極之間設(shè)有一對蝶形天線，以在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生橫向太赫茲電場，而高電子遷移率晶體管的柵極連接在一蝶形天線上，以在電子溝道內(nèi)產(chǎn)生縱向太赫茲電場。本發(fā)明能夠有效加強高電子遷移率晶體管柵極對二維等離子體波的調(diào)控，實現(xiàn)對太赫茲波的高速、高效、高靈敏度和低噪聲探測；同時，本發(fā)明能在室溫下工作，可顯著拓展太赫茲波的應(yīng)用范圍，并節(jié)省應(yīng)用成本；又及，本發(fā)明可采用現(xiàn)有半導(dǎo)體微加工技術(shù)制造，器件結(jié)構(gòu)微型化，集成度高。
文檔編號H01L31/112GK102054891SQ20101050550
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者孫云飛, 孫建東, 張寶順, 曾春紅, 秦華 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所