專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器。
背景技術(shù)：
太赫茲波段是介于微波毫米波與紅外之間的電磁波段，其頻率范圍和波長(zhǎng)范圍分別為O. ITHz-IOTHz, 3mm—30 μ m0此前，人們對(duì)太赫茲波段的研究很少，該波段也一直被稱(chēng)為T(mén)Hz Gap。近年來(lái)，由于不斷發(fā)現(xiàn)太赫茲波在材料，通信，生物化學(xué)，安全檢測(cè)，空間遙感等領(lǐng)域上的巨大應(yīng)用潛力，使得國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)其研究熱度大大提高。在太赫茲技術(shù)上，太赫茲探測(cè)技術(shù)是太赫茲科學(xué)與技術(shù)中最具應(yīng)用前景的發(fā)展方向之一。由于太赫茲波的光子能量很小以及大氣對(duì)太赫茲波段的強(qiáng)烈吸收，使得目前太赫茲探測(cè)器的發(fā)展較為緩 慢。近年來(lái)，基于不同原理，使用不同探測(cè)材料制作的太赫茲探測(cè)器有了較大的發(fā)展。目前，太赫茲探測(cè)技術(shù)主要是有直接探測(cè)器和相干探測(cè)器兩種，相干探測(cè)器如肖特基二極管混頻器SBD、超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體隧道混頻器SIS、半導(dǎo)體/超導(dǎo)體熱電子bolometer混頻器HEB雖然具有高的轉(zhuǎn)換效率和低的噪聲，但是由于需要使用本地振蕩源，使得其結(jié)構(gòu)較為復(fù)制，并且它們多數(shù)需要工作在深低溫度。而現(xiàn)在一些常見(jiàn)的直接探測(cè)器如高萊探測(cè)器，熱釋電探測(cè)器雖然可以工作在室溫，但是其響應(yīng)時(shí)間較慢，很難應(yīng)用于太赫茲實(shí)時(shí)成像。本發(fā)明充分考慮到了實(shí)際太赫茲探測(cè)器對(duì)于響應(yīng)時(shí)間，工作溫度，結(jié)構(gòu)難易，信噪比的要求，設(shè)計(jì)了一種基于電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，具有響應(yīng)時(shí)間短，室溫工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行直接探測(cè)，并且通過(guò)改變探測(cè)器的結(jié)構(gòu)尺寸還可以改變探測(cè)器所探測(cè)的中心波長(zhǎng)范圍。該探測(cè)器基于電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，選用組分適當(dāng)?shù)你熸壣椴牧希O(shè)計(jì)合理可行的耦合天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行光刻，腐蝕，濺射等工藝制作，使用前置放大器進(jìn)行放大讀出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于太赫茲信號(hào)的探測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前太赫茲相干探測(cè)器需要本地太赫茲振蕩光源，深低溫工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高而直接探測(cè)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，信噪比較低等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，通過(guò)天線(xiàn)耦合顯著提高了探測(cè)器的探測(cè)靈敏度，該探測(cè)器便于大規(guī)模集成，使得多元探測(cè)成為可能。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，其原理示意簡(jiǎn)圖如附圖一所示，由磷化銦襯底I上依次生長(zhǎng)磷化銦層2、InxGa1^xAs層3、右摻雜InyGai_yAs層4和左摻雜InyGa1^As層5、右慘雜InzGa1=As層6和左慘雜InzGa1=As層7、正電極層8和負(fù)電極層9組成。通過(guò)光刻、腐蝕、套刻、濺射等工藝形成所需探測(cè)器尺寸結(jié)構(gòu)，右電極層8和左電極層9通過(guò)點(diǎn)焊金屬導(dǎo)線(xiàn)與前放電路連接來(lái)傳遞所探測(cè)信號(hào)。
磷化銦襯底層I是磷化銦InP材料，厚度為O. 5—1. 5mm。磷化銦緩型層2是磷化銦材料，其作用是使后續(xù)材料生長(zhǎng)更加匹配，減小晶格失配率，其厚度為50-150nm。銦鎵砷InxGahAs層3是銦鎵砷InxGapxAs材料，其x值為O. 537，厚度為2000-3000nm，其作用是通過(guò)自由載流子來(lái)吸收太赫茲信號(hào)。銦鎵砷InxGahAs層3通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD或者是分子束外延MBE方法生長(zhǎng)在磷化銦緩型層2上。右摻雜銦鎵砷InyGapyAs層4和左摻雜銦鎵砷InyGapyAs層5厚度為50— 150nm ；摻雜濃度為2\1018—1父1019011_3，右摻雜銦鎵砷InzGa1=As層6和左摻雜銦鎵砷InzGapzAs層7厚度為250— 350nm ;摻雜濃度為I X IO19— 8 X 1019cnT3，y和z值都為O. 526，摻雜元素都為硅Si。其作用是作為窗口層分別與右電極層8和左電極層9形成歐姆接觸。·
右電極層8和左電極層9為派射錫金合金,厚度為350—450nm。作用是將探測(cè)器與前放電路連接起來(lái)，并且也用作耦合天線(xiàn)將太赫茲信號(hào)耦合至探測(cè)器以提高太赫茲波的吸收效率。右電極層8和左電極層9示意簡(jiǎn)圖如附圖二，在附圖二對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中，正負(fù)電極指向?qū)ΨQ(chēng)中心的四個(gè)頂點(diǎn)D與右摻雜InzGahAs層6和左摻雜InzGai_zAs層7的邊緣四個(gè)頂點(diǎn)重合且使其表面連接。與電極相關(guān)尺寸如下D點(diǎn)距離探測(cè)器左邊或者右邊的距離為ml等于三分之一中心臺(tái)階的寬度m，m的大小為30— 70um。探測(cè)器的尺寸mXn小于100X100 μ m2。正負(fù)電極尺寸為sXt, s的大小為O. 2—1. 2mm當(dāng)s和t中有一個(gè)距離取定值時(shí),另一個(gè)距離為探測(cè)器所探測(cè)波長(zhǎng)的四分之一。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I、探測(cè)器可在室溫環(huán)境下工作，通過(guò)適當(dāng)制冷還可提高探測(cè)器的性能。2、天線(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)可提高探測(cè)器對(duì)太赫茲信號(hào)的耦合效率，提高探測(cè)器的信噪比。3、探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，便于大規(guī)模集成，發(fā)展多元探測(cè)器件。4、探測(cè)波段較寬，可達(dá)O. 1-5THZ。5、探測(cè)靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快。


附圖I為探測(cè)器原理示意簡(jiǎn)圖。附圖2為對(duì)稱(chēng)電極示意簡(jiǎn)圖。附圖中標(biāo)號(hào)為1為憐化鋼襯底、2為憐化鋼緩型層、3為鋼嫁神InxGahAs層、4為銦鎵砷右摻雜InyGai_yAs窗口層、5為銦鎵砷左摻雜InyGai_yAs窗口層、6為銦鎵砷右摻雜InzGa1^zAs窗口層、7為銦鎵砷左摻雜InzGai_zAs窗口層、8為右電極層，9為左電極層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖I對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳述附圖I為本探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。太赫茲光子信號(hào)被InxGahAs材料中的自由載流子吸收以后，自由載流子被加熱從而改變了產(chǎn)生一復(fù)合過(guò)程，使得載流子濃度發(fā)生改變，引起銦鎵砷InxGahAs材料的電阻值發(fā)生變化，而在金屬和半導(dǎo)體介質(zhì)的接觸處，由于麥克斯韋方程的連續(xù)性使得界面兩側(cè)產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)差異，且由于電極耦合天線(xiàn)的作用進(jìn)一步使得銦鎵砷InxGahAs材料對(duì)太赫茲信號(hào)的吸收增強(qiáng)，通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)將信號(hào)與前放電路連接，將銦鎵砷InxGahAs材料電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化信號(hào)而進(jìn)行放大檢出，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲信號(hào)的探測(cè)。依照附圖一結(jié)構(gòu)，制作了三個(gè)實(shí)示例探測(cè)器實(shí)示例探測(cè)器I為O. 5mm磷化銦襯底上依次生長(zhǎng)厚度為50nm的磷化銦緩型層，厚度為2000nm, x值為O. 537的InxGa1^xAs層，厚度為50nm, y值為O. 526，摻雜硅濃度為2 X IO1W3的右摻雜InyGai_yAs層和左摻雜InyGallAs層，厚度為250nm，z值為O. 526，摻雜硅濃度為IX IO19CnT3的右摻雜InzGa1Js層和左摻雜InzGa1Js層，厚度為350nm的正電極層和左電極層。該器件電極尺寸m值為30um, s值為lmm, t值為O. 5mm。實(shí)示例探測(cè)器2為Imm磷化銦襯底上依次生長(zhǎng)厚度為IOOnm的磷化銦緩型層，厚度為2500nm, x值為O. 537的InxGa1^xAs層，厚度為IOOnm, y值為O. 526，摻雜硅濃度為6 X 1018cm_3的右摻雜InyGapyAs層和左摻雜InyGapyAs層,厚度為300nm, z值為O. 526,摻雜硅濃度為4X IO19CnT3的右摻雜InzGa1Js層和左摻雜InzGa1Js層，厚度為400nm的正電極層和左電極層。該器件電極尺寸m值為50um, s值為O. 5mm, t值為O. 2mm。 實(shí)示例探測(cè)器3為I. 5mm磷化銦襯底上依次生長(zhǎng)厚度為150nm的磷化銦緩型層，厚度為3000nm, x值為O. 537的InxGa1^xAs層，厚度為150nm, y值為O. 526，摻雜硅濃度為I X 1019cm_3的右摻雜InyGapyAs層和左摻雜InyGapyAs層,厚度為350nm, z值為O. 526,摻雜硅濃度為8 X IO19CnT3的右摻雜InzGa1Js層和左摻雜InzGa1Js層，厚度為450nm的正電極層和左電極層。該器件電極尺寸m值為70um, s值為O. 2mm, t值為O. lmm。
權(quán)利要求
1.一種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，其特征在于所述的探測(cè)器結(jié)構(gòu)為在磷化銦襯底(I)上依次生長(zhǎng)磷化銦層(2)、InxGahAs層(3)、右摻雜InyGapyAs層(4)和左摻雜InyGa^yAs層(5)、右摻雜InzGa^zAs層(6)和左摻雜InzGa^zAs層(7)以及正電極層(8)和負(fù)電極層(9);其中 所述的磷化銦襯底(I)厚度為O. 5—1. 5mm ； 所述的磷化銦緩型層(2)厚度為50— 150nm ； 所述的InxGahAs層(3)的厚度為2000— 3000nm，其x值為O. 537 ； 所述右摻雜InyGa^yAs層(4)和左摻雜InyGapyAs層(5)的厚度為50—150nm，摻雜為Si，濃度大小為 2X IO18— I X 1019cnT3，y 值為 O. 526 ； 所述的右摻雜InzGa1=As層(6)和左摻雜InzGa^zAs層(7)厚度為250— 350nm，摻雜為Si，濃度大小為 I X 1019—8X 1019cnT3，z 值為 O. 526 ； 所述的正電極層(8)和負(fù)電極層(9)厚度為350— 450nm，由金和錫濺射而成，用來(lái)兼做耦合天線(xiàn)和正負(fù)電極，該電極層覆蓋在右摻雜InzGahAs層(4)，左摻雜InzGai_zAs層(5)，右摻雜InyGapyAs層(6)和左摻雜InyGapyAs層(7)和InxGapxAs層(3)形成的臺(tái)階的兩側(cè)表面和兩側(cè)邊緣，并在接觸處形成歐姆接觸，而大部分的電極層都濺射在臺(tái)階兩側(cè)的表面上；右電極層(8 )和左電極層(9 )圍繞探測(cè)器中心線(xiàn)兩邊成對(duì)稱(chēng)分布，對(duì)稱(chēng)分布結(jié)構(gòu)中，正負(fù)電極指向?qū)ΨQ(chēng)中心的四個(gè)頂點(diǎn)D與右摻雜InzGahAs層(6)和左摻雜InzGai_zAs層(7)的邊緣四個(gè)頂點(diǎn)重合且使其表面連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電場(chǎng)增強(qiáng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，其特征在于所述的正電極(8)和負(fù)電極(9)的尺寸為對(duì)稱(chēng)中心四個(gè)頂點(diǎn)D距離探測(cè)器左邊或者右邊的距離為ml等于三分之一對(duì)稱(chēng)中心臺(tái)階的寬度m, m的大小為30—70um ;探測(cè)器的尺寸ml Xn小于100X 100 μ m2 ;正負(fù)電極尺寸為sX t，s的大小為O. 2—1. 2mm,當(dāng)s和t中有一個(gè)距離取定值時(shí)，另一個(gè)距離為探測(cè)器所探測(cè)波長(zhǎng)的四分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的銦鎵砷太赫茲探測(cè)器，該探測(cè)器由磷化銦襯底上依次生長(zhǎng)磷化銦緩型層，銦鎵砷本征層，摻雜銦鎵砷層和正負(fù)電極金屬層構(gòu)成。該探測(cè)器基于不同材料界面電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，選用組分適當(dāng)?shù)你熸壣椴牧?，通過(guò)有限元方法模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的天線(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)前放電路對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行放大讀出，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)的探測(cè)。具有可室溫工作，探測(cè)靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊以及可大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)太赫茲波信號(hào)進(jìn)行成像檢測(cè)。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK102938422SQ20121040547
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者黃志明, 童勁超, 黃敬國(guó), 褚君浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所