基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器，包括自下而上依次設置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層與超材料層、歐姆電極和肖特基電極；其中超材料層為具有周期性微納米結構的金屬開環(huán)共振單元陣列，所述金屬開環(huán)共振單元陣列包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，每個圖形對于特定電磁波具有完全吸收特性，通過改變金屬開環(huán)共振單元的結構和尺寸參數(shù)可以調(diào)控對應的電磁波吸收頻段，通過改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調(diào)控超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的電磁波吸收強度。本實用新型具有多譜、高靈敏度和高速特性，通過選擇不同金屬開環(huán)共振單元結構并進行單片集成可以將探測器工作于毫米波的多個波段。
【專利說明】基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于信號探測【技術領域】，更具體地，涉及一種基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器。

【背景技術】
[0002]毫米波探測在機場安檢系統(tǒng)、通信、雷達和氣象等眾多領域都有著廣泛地應用。常見的毫米波探測器包括掃描子系統(tǒng)、接收機子系統(tǒng)和定標子系統(tǒng)，其探測裝置需配置復雜精密的飼服、驅(qū)動或掃描機構，體積和質(zhì)量大，響應慢。
[0003]在要求高速、高靈敏度、多譜信號探測的場合下，現(xiàn)有毫米波探測器的性能會存在許多不足，主要體現(xiàn)在:1、毫米波探測器的譜成像裝置仍需配置復雜的伺服、驅(qū)動或掃描機構，體積和質(zhì)量大；2、毫米波探測器響應速度較慢；3、毫米波探測器的光譜探測范圍不能輕易擴展。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其目的在于，解決現(xiàn)有毫米波信號探測器中存在的體積大、響應慢、光譜探測范圍不能輕易擴展的技術問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器，包括自下而上依次設置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極、和一對肖特基電極，超材料層與N型砷化鎵層形成肖特基接觸，超材料層包括多個可以以任意方式排列的金屬開環(huán)共振單元陣列，且為具有周期性微納米結構的金屬層，金屬開環(huán)共振單元陣列的金屬開環(huán)共振單元開孔間距t = 10?20μπι，線寬d =20 ?60 μ m，周期 L = 200 ?300 μ m。
[0006]優(yōu)選地，所述周期性微納米結構的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
[0007]優(yōu)選地，襯底層的材料是半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
[0008]優(yōu)選地，歐姆電極的材料是鎳、鍺、以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nmo
[0009]優(yōu)選地，肖特基電極的材料是鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
[0010]優(yōu)選地，當超材料層用于電磁信號探測時，其周期性微納米結構的周期應該遠小于電磁信號的波長。
[0011]優(yōu)選地，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200 ?250nm。
[0012]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0013]1、本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器體積小:由于所述超材料的制作采用微納米光刻工藝，在Imm2尺寸內(nèi)可以集成數(shù)千個金屬開環(huán)共振單元，將多種圖形構成的金屬開環(huán)共振單元陣列集成在一起，也只需要I?2cm2的空間，因此基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器體積很小、重量很輕；
[0014]2、本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器響應速度較快:由于超材料層的金屬開環(huán)共振單元具有完全吸收對應波段電磁信號的能力，一旦與對應毫米波段信號產(chǎn)生共振，其共振響應速度屬于超高速響應，能夠在極短時間內(nèi)產(chǎn)生響應信號。
[0015]3、本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器只需要交流信號發(fā)生器等少量電子資源輔助其進行工作，從而節(jié)省了外圍電路資源。
[0016]4、由于超材料層可以任意增加新的金屬開環(huán)共振單元陣列，因此本實用新型提供了一種可根據(jù)實際需要擴展信號探測范圍的能力，實現(xiàn)可靈活擴展的寬譜毫米波探測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器的縱向剖面示意圖。
[0018]圖2是本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器的俯視示意圖。
[0019]圖3是本實用新型超材料層的示意圖。
[0020]圖4是本實用新型超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0021]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0022]本實用新型的基本思路在于，本實用新型可根據(jù)所設計的金屬開環(huán)共振單元對應的電磁共振頻率集合，執(zhí)行集合內(nèi)任意波譜的切入和跳轉(zhuǎn)，通過超材料層中的金屬開環(huán)共振單元的電磁共振導致金屬發(fā)熱改變金屬電阻率實現(xiàn)電磁波信號的能量收集，并通過外接交流信號將電阻率的變化提取出來，從而探測毫米波信號。
[0023]如圖1所示，本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器包括自下而上依次設置的襯底層1、N型砷化鎵層2、二氧化硅層3、超材料層4、歐姆電極5和一對肖特基電極61和62，其中N型砷化鎵層2設置于襯底層I上面，二氧化硅層3設置于N型砷化鎵層2上面，超材料層4設置于N型砷化鎵層2上面，歐姆電極5設置于N型砷化鎵層2上面，肖特基電極61和62設置于二氧化硅層3上面，歐姆電極5和一對肖特基電極61和62分別設置于超材料層4的左右兩端。
[0024]超材料層4為具有周期性微納米結構的金屬層，所述周期性微納米結構的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
[0025]肖特基二極管的襯底可選用但不限于半絕緣砷化鎵，還可以是硅、三氧化二鋁等。
[0026]肖特基二極管的歐姆電極5可選用但不限于鎳、鍺、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm、200-300nm和20_30nm ;肖特基電極61和62可選用但不限于鈦、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm和 200-250nm。
[0027]超材料層4由周期性微納金屬結構構成，其與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，具有對特定電磁波的完全吸收性能，可以通過調(diào)整周期性微納金屬結構的尺寸對其工作波段進行優(yōu)化。
[0028]當超材料層4用于電磁信號探測時，超材料層4采用的周期性微納米結構的周期應該遠小于對應信號的波長，從而滿足亞波長器件的實際工作性能。
[0029]如圖2和3所示，超材料層4包括多個可以以任意方式排列的金屬開環(huán)共振單元陣列41、42、43、44、45和46，應該理解圖示的數(shù)量并不應被理解為限制該陣列的數(shù)量，該陣列的數(shù)量是大于或等于2的整數(shù)，其中金屬開環(huán)共振單元陣列41至46的共振頻率分別對應于一個特定的毫米波長。為了清晰地展示工作于毫米波段的超材料結構和特征尺寸參數(shù)，本實施例將超材料層4中的一個金屬開環(huán)共振單元陣列41進行了放大，如圖4所示。金屬開環(huán)共振單元陣列41的制作材料為鈦、金，厚度分別為20?30nm和200?250nm，與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，當工作于毫米波段時，開孔間距t = 10?20 μ m，線寬d=20?60 μ m，周期L = 200?300 μ m，中間連線傾角Θ = O?90度，中間連線長度p =50?300 μ m，中間連線寬度f ( d/4。
[0030]上述由不同圖形組成的金屬開環(huán)共振單元陣列等效為多個LC共振電路，當目標電磁波信號7垂直入射到超材料層4后，這些LC共振電路將與毫米波段內(nèi)特定波長的電磁波產(chǎn)生共振，吸收入射電磁波7中相應波長的能量，進而使得金屬開環(huán)共振單元發(fā)熱升溫，由于金屬開環(huán)共振單元中間連接線區(qū)域又細又長，共振時的表面電流經(jīng)過該區(qū)域時由于電阻的突然變大必然導致溫度迅速升高，從而迅速改變金屬開環(huán)共振單元金屬的電阻率；通過施加2V交流電壓于一對肖特基電極61和62上，當交流電壓峰峰值變化幅度超過設定閾值時，表明該金屬開環(huán)共振單元探測到了對應波長的信號，如有多個交流電壓峰峰值變化幅度超過設定閾值時，表明有多個金屬開環(huán)共振單元探測到了對應波長的信號；通過施加O?5V反向直流偏壓于肖歐姆電極5上，使得超材料層4的金屬與N型砷化鎵層2接觸區(qū)域的耗盡層寬度增大，提高超材料層4對入射電磁波7的吸收效率，并進一步增大金屬開環(huán)共振單元的電阻率，從而使得肖特基電極61和62檢測到的交流電壓峰峰值更加明顯，實現(xiàn)毫米波多譜信號的探測。
[0031]本實用新型基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器的制備方法包括如下步驟:
[0032](I)在襯底層I上通過金屬有機化合物化學氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層2，其厚度為Ium?2um ；
[0033](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強化學氣相淀積法制備二氧化硅層3，其厚度為300nm?400nm ；
[0034](3)在二氧化硅層3上通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進行腐蝕處理，通過負膠工藝光刻歐姆電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的 Ni/Ge/Au 層(其厚度分別為 20-30nm/200-300nm/20-30nm)，將 Ni/Ge/Au層進行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層(其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)的歐姆電極，對具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火，以形成歐姆電極5 ；
[0035](4)在二氧化硅層3上通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層3，通過負膠工藝光刻肖特基電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層(其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/Au層進行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層(其厚度分別為200nm/20nm)的超材料層4和肖特基電極61和62，超材料層4直接與N型砷化鎵層2接觸，肖特基電極61和62設置于二氧化娃層3上,且肖特基電極61和62和超材料層4之間的距離為Imm?1.5mm。
[0036]因此，本實用新型采用了肖特基二極管結構，其以超材料層的金屬開環(huán)共振單元陣列作為完全吸光介質(zhì)，通過電阻率的變化導致交流信號峰峰值的改變獲得超寬譜域信號探測能力；同時可以通過優(yōu)化設計金屬開環(huán)共振單元的特征尺寸參數(shù)與形狀，獲得更多工作于毫米波段的吸光超材料。將上述若干金屬開環(huán)共振單元陣列進行分組編號，分別對應于暈米波長1、暈米波長2、暈米波長3,......，暈米波長N,其中N為金屬開環(huán)共振單兀陣列的數(shù)量，通過上述制備方案集成于以單片砷化鎵為襯底的肖特基二極管中，實現(xiàn)毫米波多譜信號探測器。
[0037]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于超材料的肖特基型毫米波多譜信號探測器，包括自下而上依次設置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極、和一對肖特基電極，其特征在于，超材料層與N型砷化鎵層形成肖特基接觸，超材料層包括多個可以以任意方式排列的金屬開環(huán)共振單元陣列，且為具有周期性微納米結構的金屬層，金屬開環(huán)共振單元陣列的金屬開環(huán)共振單元開孔間距t = 10?20 μ m,線寬d = 20?60 μ m,周期L = 200?300 μ m。
2.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，所述周期性微納米結構的金屬層包含了多種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于特定電磁波具有完全吸收特性。
3.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，襯底層的材料是半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
4.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，歐姆電極的材料是鎳、鍺、以及金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nm。
5.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，肖特基電極的材料是鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
6.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，當超材料層用于電磁信號探測時，其周期性微納米結構的周期應該遠小于電磁信號的波長。
7.根據(jù)權利要求1所述的肖特基型毫米波多譜信號探測器，其特征在于，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200?250nm。
【文檔編號】H01L31/108GK204067398SQ201420515040
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權日:2014年9月9日
【發(fā)明者】羅俊, 別業(yè)華, 李維軍, 張新宇, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張?zhí)煨? 謝長生 申請人:華中科技大學