专利名称：一种太赫兹波探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波谱探测装置，尤其涉及一种在室温条件下对THz波实现高速、 高灵敏度、高信噪比探测的波谱探测装置，属于太赫兹波探测研究技术领域。
背景技术：
太赫兹(Terahertz，THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常是指频率在0. ITHz IOTHz (波长在3mm 30um)范围内的电磁波，它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间。在电子学领域里，这一波段的电磁波又被称作毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外线。太赫兹辐射之所以引起我们浓厚的兴趣，是因为它具有很多独特的性质和广泛的应用前景。太赫兹波辐射源具有宽频性、透视性、安全性等特性，所以它在物理、化学、生物医学等基础领域，以及反恐、假币识别、有无损成像、安全检查、光谱分析和雷达通讯方面有着重要的应用前景。和太赫兹辐射源一样，太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一关键技术，也是太赫兹技术应用投入到实际应用的另一关键环节。由于目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，而现有的太赫兹波探测器普遍具有响应速度慢(如热释电探测器)、探测频率窄(如肖特基二极管)、灵敏度差(如高莱探测器Golay cell)和需要低温工作(如测辐射热计)的缺点，因此发展一种高速、高灵敏度、高信噪且在室温条件下可以工作的太赫兹波探测器尤为重要。Dyakonov and Siur于1993年首先用浅水波模型从理论上来解释场效应晶体管中等离子体波的不稳定性，得出在一定的边界条件下场效应晶体管中等离子体波可以辐射出THz波。他们于1996年发现二维电子气QDEG)的不稳定性理论可以应用于THz波的探测，而且也从实验上实现了对太赫兹波的探测，但是这类器件普遍需要工作在低温下，且灵敏度较低，噪声比较大。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种以高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)为基本结构，辅以集成特殊的bowtie (蝶形)天线和低通滤波器的太赫兹波探测器，最终实现在室温条件下对THz波高速、高灵敏度、高信噪的探测。本发明的上述目的，将通过以下技术方案得以实现一种太赫兹波探测器，包括透镜、探测元件、信号放大器及电源，所述探测元件以具有较高二维电子浓度的高电子迁移率场效应晶体管为基本结构单元，且所述场效应晶体管具有源电极、栅电极和漏电极，其特征在于所述太赫兹波探测器的探测元件结构包括三个引线电极、三个低通滤波器以及一组太赫兹波耦合天线，所述场效应晶体管的三个电极与太赫兹波耦合天线相连，共同作为天线；并且所述三个电极分别通过低通滤波器与对应的引线电极相连。
进一步地，所述高电子迁移率场效应晶体管至少包括铝镓氮/镓氮晶体管和铝镓砷/镓砷晶体管等具有较高二维电子气浓度的晶体管中的一种。本发明的上述目的，是通过以下技术方案制备实现的(1)首先对具有较高二维电子浓度的材料进行表面清洗，并通过激光划片得到预制片；(2)使用紫外光刻法和等离子体刻蚀法，在预制片上刻蚀出有源区台面，包括二维电子气沟道、欧姆接触区域以及紫外光刻标记；(3)使用原子层淀积法，在整个预制片表面生长一层三氧化二铝的绝缘栅介质，所述预制片表面包含有源区台面；(4)利用紫外光刻和湿法腐蚀在欧姆接触区域制备出欧姆接触窗口 ；(5)利用电子束蒸发法和lift-off剥离工艺制备出源、漏电极，并经高温退火使源、漏电极形成欧姆接触；(6)依次通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备得到天线结构；通过电子束光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备出纳米栅电极；并通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备加厚电极；(7)采用半导体封装技术，对步骤(6)的成品进行封装。实施本发明的技术方案，其创新优点体现在1、通过低通滤波器把天线跟引线电极隔离，能够保证天线的谐振性能，可以阻止由天线产生的高频THz波信号通过直导线向引线电极泄漏而导致器件响应度的下降；2、克服了由于引线电极的谐振作用而产生的低频信号对探测结果的影响，从而提高探测器的灵敏度；3、欧姆接触同时为源、漏电极和天线结构，使得器件结构紧凑，便于集成，为实现太赫兹波探测器的阵列化和大规模应用奠定基础。
图1为本发明太赫兹波探测器一实施例探测元件的结构正视示意图；图2为图1所示探测元件的结构侧视示意图；图3为本发明太赫兹波探测器的实验装置图；图4为本发明太赫兹波探测器在室温和液氮温度下对频率为903GHz的电磁波的光电流响应图；图5为本发明太赫兹波探测器在室温和液氮温度下的功率响应度图；图6为本发明太赫兹波探测器中天线与太赫兹波极化方向的关系示意图。图示中各标记的含义为1 引线电极，2 低通滤波器，3 太赫兹波耦合天线，4 源电极，5 漏电极， 6 栅电极，7 有源区台面，8 二维电子气&2DEG，9 蓝宝石衬底
具体实施例方式以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
常规太赫兹波探测器的实验结构理解，如图3所示，一般探测器均包括透镜(离轴非球面镜)、探测元件、信号放大器及电源等，其中探测元件以具有较高二维电子浓度的高电子迁移率场效应晶体管为基本结构单元，且场效应晶体管具有三个电极，分别为源电极、 栅电极和漏电极。本发明设计人员针对背景技术中传统GaN/AWaN HEMT高灵敏度太赫兹探测器的缺陷及问题关键，经过反复研究和实验，创新提出了针对探测元件的结构方案。具体如图1和图2所示所述太赫兹波探测器的探测元件结构包括三个引线电极、三个低通滤波器2以及一组太赫兹波耦合天线3 (以下简称天线)，场效应晶体管的三个电极与太赫兹波耦合天线相连，共同作为天线；并且三个电极4、5、6分别通过一低通滤波器与对应的引线电极1相连。其中该场效应晶体管为高电子迁移率晶体管，具有较高的二维电子气浓度，可选包括铝镓氮/镓氮晶体管和铝镓砷/镓砷晶体管等其它晶体管中的一种。如图2所示，其还包括蓝宝石衬底9表面成熟工艺制备的有源区台面7及二维电子气QDEG)8。本发明一种太赫兹波探测器中的低通滤波器既可以代替直导线连接源、漏电极和引线电极，又可以起到滤波的作用，即排除探测器受到其他低频信号的干扰，保证器件中天线的谐振性能，对频率为ITHz左右的电磁波进行精确探测，从而提高探测器的灵敏度和信噪比。从本发明太赫兹波探测器的制法来看，其包括步骤(1)首先对具有较高二维电子浓度的材料进行表面清洗，并通过激光划片制得边长为1. 5厘米的预制片；(2)使用紫外光刻法和等离子体刻蚀法，在预制片上刻蚀出有源区台面，包括二维电子气沟道、欧姆接触区域以及紫外光刻标记；(3)使用原子层淀积法，在整个预制片表面(包括有源区台面)上生长一层厚度约为10纳米的三氧化二铝的栅介质；(4)利用紫外光刻和湿法腐蚀在欧姆接触区域制备出欧姆接触窗口 ；(5)利用电子束蒸发法和lift-off剥离工艺制备出源、漏电极，并高温退火使源、 漏电极形成欧姆接触；上述源电极和漏电极之间的间距很小约为3微米，栅极长度为700纳米。(6)依次通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备得到天线结构Ni/ Au(20/80nm)；通过电子束光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备出纳米栅电极；并通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备加厚电极；(7)采用半导体封装技术，对步骤(6)的成品进行封装。上述制备探测器的过程中，通过制备过程的些许调整，即可使该太赫兹波探测器满足不同的工作机理。实施例1当栅、源电极间距较大时，其探测机理满足自混频理论。在太赫兹波的照射下，由于天线对THz波的响应跟电场的极化方向有关(如图6所示)，当太赫兹波垂直入射到探测器的正面，且天线的长边跟电场方向平行时，天线的响应度最大，得到的光电流最大，当太赫兹波垂直入射到探测器的正面，且天线的长边跟电场方向垂直时，天线的响应度最小， 得到的光电流最小。由于天线的耦合作用，可以同时在沟道内二维电子气体处感应出水平方向(平行于沟道)和垂直方向(垂直于沟道)的电场，即艮和艮，且感应电场的强度可以达到入射太赫兹波电场强度的几百倍，通过调节栅电极电压进而对沟道内二维电子气的浓度进行调控，在阈值电压附近，沟道内水平方的电场和垂直方向的电场发生混频，即可输
1 Je
出直流光电流即其中g为器件的微分电导，Vg为所加的栅压，Vx和Vz
分别为平行于沟道和垂直于沟道的感应电压，φ为Ex和Ez的相位差。实施例2当栅、源电极间距和栅极长度较小时，且栅电极相对于源、漏电极不对称时，其探测机理满足等离子体波的浅水波探测理论。如果将栅电极做成不对称的结构，即栅、源电极之间的间距不等于栅、漏电极之间的间距，且减小栅电极的长度至IO2纳米量级，则在太赫兹波的辐射下即可激发出等离子体波，由于器件结构的不对称性，在一定的边界条件下 (即栅、源电极之间加以恒定的偏置直流电压，且在源、漏电极之间加以恒定的偏置直流电流)，由于等离子体波的不稳定性，便会产生直流光电压，满足等离子体波的浅水波探测理论。无论探测机理满足何种理论，本发明中太赫兹波探测器在室温下都能够很好的探测THz波，其光电流、噪声等功率和响应度分别为1. 2nA、lOnW/V^和37mA/W，在液氮温度下探测效果更佳，如图4和图5所示。从图4中我们可以看到在室温和低温下，光电流作为栅压的函数，且在阈值电压附近达到最大值，因为在阈值电压附近器件微分电导的导数最大，这与自混频理论符合的较好。图5为该器件在300K和77K下的功率相应图，从图中可以看出器件的响应度在液氮温度下增加到了 462mA/W，且噪声等功率下降到了 1 nW/Vlfe，这主要是由于低温下电子的迁移率增大引起的。
权利要求
1.一种太赫兹波探测器，包括透镜、探测元件、信号放大器及电源，所述探测元件以具有较高二维电子浓度的高电子迁移率场效应晶体管为基本结构单元，且所述场效应晶体管具有源电极、栅电极和漏电极，其特征在于所述太赫兹波探测器的探测元件结构包括三个引线电极、三个低通滤波器以及一组太赫兹波耦合天线，所述场效应晶体管的三个电极与太赫兹波耦合天线相连，共同作为天线；并且所述三个电极分别通过一低通滤波器与对应的引线电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波探测器，其特征在于所述高电子迁移率场效应晶体管为具有较高二维电子气浓度的晶体管，至少包括铝镓氮/镓氮晶体管和铝镓砷/ 镓砷晶体管中的一种。
3.权利要求1所述一种太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)首先对具有较高二维电子浓度的材料进行表面清洗，并通过激光划片得到预制片；(2)使用紫外光刻法和等离子体刻蚀法，在预制片上刻蚀出有源区台面，包括二维电子气沟道、欧姆接触区域以及紫外光刻标记；(3)使用原子层淀积法，在整个预制片表面生长一层三氧化二铝的绝缘栅介质，所述预制片表面包含有源区台面；(4)利用紫外光刻和湿法腐蚀在欧姆接触区域制备出欧姆接触窗口；(5)利用电子束蒸发法和lift-off剥离工艺制备出源、漏电极，并经高温退火使源、漏电极形成欧姆接触；(6)依次通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备得到天线结构；通过电子束光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备出纳米栅电极；并通过紫外光刻、电子束蒸发和lift-off剥离工艺制备加厚电极；(7)采用半导体封装技术，对步骤(6)的成品进行封装。
全文摘要
本发明揭示了一种太赫兹波探测器，以具有较高二维电子浓度的高电子迁移率场效应晶体管为基本结构单元，场效应晶体管具有源电极、栅电极和漏电极，其特征在于太赫兹波探测器的器件结构包括三个引线电极、三个低通滤波器以及一组太赫兹波耦合天线，场效应晶体管的三个电极与太赫兹波耦合天线相连，共同作为天线；并且三个电极分别通过一低通滤波器与对应的引线电极相连。本发明通过低通滤波器把天线跟引线电极隔离，能够保证天线的谐振性能，阻止由天线产生的高频THz波信号通过直导线向引线电极泄漏而导致器件响应度的下降；欧姆接触同时为源、漏电极和天线结构，使得器件结构紧凑，便于集成，为实现太赫兹波探测器的阵列化和大规模应用奠定基础。
文档编号G01V8/00GK102445711SQ20101029763
公开日2012年5月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者吴东岷, 周宇, 孙云飞, 孙建东, 张宝顺, 曾春红, 秦华 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所