太赫兹波频谱检测器的制造方法
【专利摘要】本申请公开了一种太赫兹波频谱检测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，高电子迁移率晶体管的沟道处设有天线，以产生太赫兹电场，天线与高电子迁移率晶体管集成设置，且与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立，天线包括第一天线和第二天线，第一天线连接于第一栅极，以调节二维电子气浓度；第二天线连接于第二栅极和第三栅极，以形成二维等离子体波谐振腔，第二栅极和第三栅极分别位于所述第一栅极的两侧。在太赫兹波辐照下，能在检测器两端形成开路电压或者短路电流信号，通过扫描栅压得到太赫兹频率。本发明可有效强化栅极对二维等离子体波的调控，实现对太赫兹波的高速、高效、高灵敏度和低噪声的频谱检测，且结构微型化、高度集成化。
【专利说明】太赫兹波频谱检测器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体太赫兹光电【技术领域】的一种太赫兹波频谱检测器，通过调节检 测器栅压实现太赫兹波的频谱检测。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（Ter址ertz, 1 THz = 1〇12 化?Ips-i ?300 y m ?33cm-i ?4. 1 meV ? 47. 6 K)福射通常指的是波长在30 ym - 3 mm (0.1 THz - 10 THz)区间的电磁波，其 频段位于微波和红外光之间。与其他电磁波相比，太赫兹波具有相干、低能、高带宽、指纹 特性、穿透性等独特、优异的特性。W上特点决定了太赫兹波诸多的应用领域，主要包括信 息和通信技术、生物和医学研究、无损检测、无损探伤、国±安全、食物和农业质量控制、全 球环境检测、卫星遥感、空间成像、安全检测、物质内部结构层析、病理检测、医学成像、物质 成份分析、近场成像、超快计算等。要实现W上应用太赫兹波检测器尤为关键。然而现有 太赫兹检测器都不具备频谱分辨能力，因此需要傅里叶光谱仪等频谱检测设备做较长时间 的傅里叶变换得到太赫兹频谱。因此，研究人员长久W来一直渴望发展出一种具有频谱分 辨能力的太赫兹波检测器，W大幅推动raz技术的发展和应用。1993年由M. Dyakonov 和M. S.化ur首次提出有限尺寸二维电子气的浅水波模型（参考化ys. Rev. Lett. Vol 71，p 2465(1993)。他们指出在特性边界条件下，有限尺寸的二维电子气体系存在共 振形式的等离子体波，通过栅压可调节等离子体波共振频率，其一阶模式可W简单的表示 为4^ 其中为等离子体波共振频率，L为栅长(谐振腔腔长)，1,为外加栅极电 压，Fa为阔值电压，e为单个电子电荷量，31'为电子有效质量。通过特定尺寸的谐振腔设 计，使得等离子体波共振频率处在太赫兹频段，且可通过栅压调节太赫兹频率，因此特殊设 计的场效应晶体管可W实现太赫兹波频谱检测。于2002年由W. Knap和Y. Deng等人制备 出全球首个基于该理论的太赫兹波频谱检测器(参考Appl. Phys. Lett. Vol 80，P 3433 (2002))，是一个基于AlGaAs/GaAs的二维电子气的高电子迁移率晶体管，器件栅长为150 nm，用于形成等离子体波谐振腔和调节共振频率，使得入射太赫兹波和等离子体波发生共 振，从而实现太赫兹频谱检测。但该频谱检测器的频谱分辨能力较低，且有较大的非频谱检 测背景信号，还需要在极低温下工作。要实现该类检测器的应用，需要进一步提高频谱分辨 率，降低背景信号，提高器件工作温度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提出一种太赫兹波频谱检测器，W克服现有高电子迁移率太赫 兹波频谱检测器频谱分辨率低、背景信号大、需极低温工作等缺陷。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 本申请公开了一种太赫兹波频谱检测器，W高电子迁移率晶体管为基本结构，所述高 电子迁移率晶体管的沟道处设有天线，W产生太赫兹电场，所述天线与高电子迁移率晶体 管集成设置，且与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立，所述的天线包括第一天线 和第二天线，所述的第一天线连接于第一栅极，W调节二维电子气浓度；所述的第二天线连 接于第二栅极和第H栅极，W形成二维等离子体波谐振腔，所述的第二栅极和第H栅极分 别位于所述第一栅极的两侧。
[0005] 优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述的天线通过太赫兹滤波器连接于 引线电极。
[0006] 优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述的太赫兹滤波器为回折的金属纳 米线。
[0007] 优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述高电子迁移率晶体管和天线集成 设置于带二维电子气基片的衬底外延片上。
[0008] 优选的，在上述的太赫兹波频谱检测器中，所述二维电子气基片包括由上到下依 次层叠的隔离层、外延层和衬底层，所述高电子迁移率场效应管的源极、漏极和栅极W及天 线设置在形成于衬底外延片的有源区上，且该源极和漏极通过设置在衬底层中的二维电子 气通道连接。
[0009] 与现有技术相比，本发明的优点在于；该太赫兹波频谱检测器通过采用独立于源 极和漏极的蝶形天线结构，并采用将形成等离子体波谐振腔的纳米栅极直接与天线相连， 使得检测器结构更为紧凑，并结合对称栅极和多栅极结构设计，能够有效提高栅极对二维 等离子体波的调控，实现对太赫兹波的高速、高效、高灵敏和低噪声的频谱检测。同时，该太 赫兹波频谱检测器能在高于77 K的温度工作，可显著拓展太赫兹波的应用范围，并节省应 用成本。此外，通过结合现有半导体微加工制造技术，可使本发明器件结构更小型化，有利 于太赫兹系统的局效集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可W根据该些附图获得其他的附图。
[0011] 图1所示为本发明具体实施例中太赫兹波频谱检测器的俯视图； 图2所示为本发明具体实施例中太赫兹波频谱检测器的剖视图。
【具体实施方式】
[0012] 本发明通过高电子迁移率场效应晶体管的两个栅极形成等离子体波谐振腔，另一 个栅极通过调节二维电子气浓度实现等离子体波频率的调控，从而实现太赫兹频谱检测 器。通过太赫兹天线与栅极相连，可高效激发谐振腔中的等离子体波，从而有效提高检测器 频谱响应。
[0013] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
[0014] 如图1-2所示，本实施例太赫兹波频谱检测器主要由高电子迁移率晶体管和蝶形 太赫兹天线组成，集成于二维电子气外延基片上，通过现有成熟的微加工技术实现。天线用 于在电子沟道内产生太赫兹电场，从而有效激发和产生二维等离子体波。
[0015] 天线包括第一天线71和第二天线72。第二天线72连接于第二栅极41和第H栅 极42,第二栅极41和第H栅极42用W形成等离子体波谐振腔6 ;第一天线71连接于第一 栅极3,第一栅极3用于调节二维电子气11浓度，从而实现等离子体波频率的调节。
[0016] 第二栅极41和第H栅极42对称的分布于第一栅极3的两侧，用于消除非频谱检 测部分的背景信号。
[0017] 天线设置在源极1和漏极2之间，并完全独立于源极1和漏极2,可W更加有效的 激发谐振腔内的等离子体波。
[001引太赫兹滤波器8集成于天线和引线电极9之间，用于消除两者之间的相互作用，从 而更好的维持天线原有的谐振特性，并消除引线电极的低频噪声信号。滤波器8由回折的 金属纳米线通过微加工制备而成。
[0019] 高电子迁移率晶体管和天线集成设置于带二维电子气基片的衬底外延片上。
[0020] 二维电子气基片包括由上到下依次层叠的隔离层10、外延层12和衬底层13,高电 子迁移率场效应管的源极1、漏极2和栅极3、41、42 W及天线设置在形成于衬底外延片的有 源区5上，且该源极1和漏极2通过设置在衬底层13中的二维电子气通道连接。
[0021] 本实施例太赫兹波频谱检测器的制备过程如下；首先通过半导体刻蚀技术，在衬 底外延片上形成有源区5,并留下一个导电的二维电子气通道。然后通过微加工技术，在台 面上制备出源极1、漏极2、栅极3和41、42,其中源极1和漏极2经过高温退火与二维电子 气形成欧姆接触。栅极3和41、42则形成肖特基接触，通过调节栅压可有效调控等离子体 波共振频率。
[0022] 更进一步的讲，本实施例的制作工艺包括如下具体步骤： (1) 利用成熟的半导体生长技术完成二维电子气基片的制备； (2) 采用紫外光刻和等离子体刻蚀等技术完成台面隔离，留下二维电子气导电通道，制 备出有源区； (3) 通过紫外光刻、电子束蒸发、金属剥离等技术制备出源极和漏极；再经过高温退火 使得源极和漏极形成欧姆接触； (4) 通过紫外光刻或电子束曝光、电子束蒸发、金属剥离等技术制备出栅极、天线结构 和滤波器； (5) 由半导体分装技术，进行器件封装，完成太赫兹频谱检测器的制备。
[0023] W高电子迁移率场效应管为基本结构，与完全独立于源极和栅极的新型蝶形天线 相集成，并且由滤波器将天线和引线电极相连，使太赫兹探测器具有极高的频谱分辨率和 检测灵敏度。该种源极、漏极和天线分离的体系，使得天线增强的太赫兹电场不会因为源极 和漏极引线电极的耗散而削弱，外部低频噪声信号也不会通过引线电极进入到沟道，从而 有效降低器件噪声，提高检测灵敏度。另外通过滤波器将天线和引线电极相连的方式，可W 有效保持天线自身的谐振特性，从而有效提高检测器响应度和频率响应一致性，还可W隔 离低频噪声信号，有效提高检测器频谱分辨率和检测灵敏度。
[0024] 另外，通过独立的蝶形天线设置，可W将纳米栅极集成于天线顶端，从而有效缩短 天线间距，由库伦定理可知，电场强度同距离的二次方成反比，当天线间距缩小到纳米级 时，天线增强的太赫兹波电场强度将近一步提高。另外等离子波的衰减距离较短，该种纳米 栅极构成的谐振腔有利于等离子体波的激发和产生，从而有效提高检测器频谱分辨和灵敏 度。
[00巧]在上述结构设计的基础上，本发明还可采用多栅极结构，使得栅极能够更有效的 调节沟道二维电子气浓度，激发等离子体波，并给予合适的边界条件，能够实现等离子波的 定向传播，有利于进一步提高频谱检测器性能。形成谐振腔的栅极和调控浓度的栅极对称 设置，可W有效降低非频谱检测背景信号的影响。
[0026] 在太赫兹波福照下，能在检测器两端形成开路电压或者短路电流信号，且在一定 栅压下将取到极大值，我们可W通过潜水波理论得到该栅压对应的等离子体波共振频率， 从而得到入射太赫兹波的频率。
[0027] 综上所述，本发明通过对高电子迁移率场效应管的特殊的栅极设计能实现太赫兹 的频谱检测。再由独立于源极和漏极的合适尺寸的太赫兹天线结构，有效增强太赫兹电场， 从而真正实现高速、高效、高灵敏、低噪声、廉价的太赫兹频谱检测器的制备，该必将为太赫 兹的应用开辟出一片更加广阔的空间。
[0028] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示该些实体或操作之间存 在任何该种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵 盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为该种过程、方法、物品或者设备 所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0029] W上所述仅是本申请的【具体实施方式】，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本申请的保护范围。
【权利要求】
1. 一种太赫兹波频谱检测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，其特征在于：所述 高电子迁移率晶体管的沟道处设有天线，以产生太赫兹电场，所述天线与高电子迁移率晶 体管集成设置，且与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立，所述的天线包括第一天 线和第二天线，所述的第一天线连接于第一栅极，以调节二维电子气浓度；所述的第二天线 连接于第二栅极和第三栅极，以形成二维等离子体波谐振腔，所述的第二栅极和第三栅极 分别位于所述第一栅极的两侧。
2. 根据权利要求1所述的太赫兹波频谱检测器，其特征在于：所述的天线通过太赫兹 滤波器连接于引线电极。
3. 根据权利要求2所述的太赫兹波频谱检测器，其特征在于：所述的太赫兹滤波器为 回折的金属纳米线。
4. 根据权利要求1所述的太赫兹波频谱检测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体 管和天线集成设置于带二维电子气基片的衬底外延片上。
5. 根据权利要求1所述的太赫兹波频谱检测器，其特征在于：所述二维电子气基片包 括由上到下依次层叠的隔离层、外延层和衬底层，所述高电子迁移率场效应管的源极、漏极 和栅极以及天线设置在形成于衬底外延片的有源区上，且该源极和漏极通过设置在衬底层 中的二维电子气通道连接。
【文档编号】G01J3/28GK104422517SQ201310410510
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】孙建东, 秦华, 孙云飞, 张宝顺 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所