專利名稱：一種電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲探測領(lǐng)域，具體涉及一種電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器。
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，其頻率范圍和波長范圍分別為O. ITHz-IOTHz, 3mm—30 μ m0此前，人們對太赫茲波段的研究很少，該波段也一直被稱為THz Gap。近年來，由于不斷發(fā)現(xiàn)太赫茲波在材料，通信，生物化學，安全檢測，空間遙感等領(lǐng)域上的巨大應用潛力，使得國內(nèi)外的研究者對其研究熱度大大提高。在太赫茲技術(shù)上，太赫茲探測技術(shù)是太赫茲科學與技術(shù)中最具應用前景的發(fā)展方向之一。由于太赫茲波的光子能量很小以及大氣對太赫茲波段的強烈吸收，使得目前太赫茲探測器的發(fā)展較為緩 慢。近年來，基于不同原理，使用不同探測材料制作的太赫茲探測器有了較大的發(fā)展。目前，太赫茲探測技術(shù)主要是有直接探測器和相干探測器兩種，相干探測器如肖特基二極管混頻器SBD、超導體一絕緣體一超導體隧道混頻器SIS、半導體/超導體熱電子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)在一些常見的直接探測器如高萊探測器，熱釋電探測器雖然可以工作在室溫，但是其響應時間較慢，很難應用于太赫茲實時成像。本發(fā)明充分考慮到了實際太赫茲探測器對于響應時間，工作溫度，結(jié)構(gòu)難易，信噪比的要求，設計了一種基于電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器，具有響應時間短，室溫工作，結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點，可對太赫茲信號進行直接探測，并且通過改變探測器的結(jié)構(gòu)尺寸還可以改變探測器所探測的中心波長范圍。該探測器基于電場增強效應，選用組分適當?shù)你熸壣椴牧希O計合理可行的耦合天線結(jié)構(gòu)，進行光刻，腐蝕，濺射等工藝制作，使用前置放大器進行放大讀出，從而實現(xiàn)對于太赫茲信號的探測。
發(fā)明內(nèi)容
針對目前太赫茲相干探測器需要本地太赫茲振蕩光源，深低溫工作，結(jié)構(gòu)復雜，成本較高而直接探測響應時間較長，信噪比較低等缺點，本發(fā)明提出一種基于電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器，通過天線耦合顯著提高了探測器的探測靈敏度，該探測器便于大規(guī)模集成，使得多元探測成為可能。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器，其原理示意簡圖如附圖一所示，由磷化銦襯底I上依次生長磷化銦層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和負電極層9組成。通過光刻、腐蝕、套刻、濺射等工藝形成所需探測器尺寸結(jié)構(gòu)，右電極層8和左電極層9通過點焊金屬導線與前放電路連接來傳遞所探測信號。
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，其作用是通過自由載流子來吸收太赫茲信號。銦鎵砷InxGahAs層3通過金屬有機化學氣相沉積MOCVD或者是分子束外延MBE方法生長在磷化銦緩型層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?！?br>
右電極層8和左電極層9為派射錫金合金,厚度為350—450nm。作用是將探測器與前放電路連接起來，并且也用作耦合天線將太赫茲信號耦合至探測器以提高太赫茲波的吸收效率。右電極層8和左電極層9示意簡圖如附圖二，在附圖二對稱結(jié)構(gòu)中，正負電極指向?qū)ΨQ中心的四個頂點D與右摻雜InzGahAs層6和左摻雜InzGai_zAs層7的邊緣四個頂點重合且使其表面連接。與電極相關(guān)尺寸如下D點距離探測器左邊或者右邊的距離為ml等于三分之一中心臺階的寬度m，m的大小為30— 70um。探測器的尺寸mXn小于100X100 μ m2。正負電極尺寸為sXt, s的大小為O. 2—1. 2mm當s和t中有一個距離取定值時,另一個距離為探測器所探測波長的四分之一。本發(fā)明具有如下優(yōu)點I、探測器可在室溫環(huán)境下工作，通過適當制冷還可提高探測器的性能。2、天線耦合結(jié)構(gòu)可提高探測器對太赫茲信號的耦合效率，提高探測器的信噪比。3、探測器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于大規(guī)模集成，發(fā)展多元探測器件。4、探測波段較寬，可達O. 1-5THZ。5、探測靈敏度高，響應時間快。
附圖I為探測器原理示意簡圖。附圖2為對稱電極示意簡圖。附圖中標號為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。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖I對本發(fā)明進行進一步詳述附圖I為本探測器結(jié)構(gòu)示意簡圖。太赫茲光子信號被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)生一復合過程，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)生巨大的電場差異，且由于電極耦合天線的作用進一步使得銦鎵砷InxGahAs材料對太赫茲信號的吸收增強，通過金屬導線將信號與前放電路連接，將銦鎵砷InxGahAs材料電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化信號而進行放大檢出，從而可以實現(xiàn)對太赫茲信號的探測。依照附圖一結(jié)構(gòu)，制作了三個實示例探測器實示例探測器I為O. 5mm磷化銦襯底上依次生長厚度為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。實示例探測器2為Imm磷化銦襯底上依次生長厚度為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。 實示例探測器3為I. 5mm磷化銦襯底上依次生長厚度為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
1.一種電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器，其特征在于所述的探測器結(jié)構(gòu)為在磷化銦襯底(I)上依次生長磷化銦層(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)和負電極層(9)厚度為350— 450nm，由金和錫濺射而成，用來兼做耦合天線和正負電極，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階兩側(cè)的表面上；右電極層(8 )和左電極層(9 )圍繞探測器中心線兩邊成對稱分布，對稱分布結(jié)構(gòu)中，正負電極指向?qū)ΨQ中心的四個頂點D與右摻雜InzGahAs層(6)和左摻雜InzGai_zAs層(7)的邊緣四個頂點重合且使其表面連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電場增強的銦鎵砷太赫茲探測器，其特征在于所述的正電極(8)和負電極(9)的尺寸為對稱中心四個頂點D距離探測器左邊或者右邊的距離為ml等于三分之一對稱中心臺階的寬度m, m的大小為30—70um ;探測器的尺寸ml Xn小于100X 100 μ m2 ;正負電極尺寸為sX t，s的大小為O. 2—1. 2mm,當s和t中有一個距離取定值時，另一個距離為探測器所探測波長的四分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電場增強效應的銦鎵砷太赫茲探測器，該探測器由磷化銦襯底上依次生長磷化銦緩型層，銦鎵砷本征層，摻雜銦鎵砷層和正負電極金屬層構(gòu)成。該探測器基于不同材料界面電場增強效應，選用組分適當?shù)你熸壣椴牧?，通過有限元方法模擬計算，設計合理的天線耦合結(jié)構(gòu)，通過前放電路對太赫茲信號進行放大讀出，從而實現(xiàn)太赫茲信號的探測。具有可室溫工作，探測靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊以及可大規(guī)模集成等優(yōu)點，可以對太赫茲波信號進行成像檢測。
文檔編號H01L31/0224GK102938422SQ20121040547
公開日2013年2月20日 申請日期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, 褚君浩 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所