太赫兹探测器的制作方法

本公开的涉及探测技术领域，特别涉及太赫兹探测器。

背景技术：

太赫兹波介于毫米波与红外波之间，既有毫米波对物质的一定穿透能力，还有红外波较高分辨率的特性，所以太赫兹波被应用在行李、包裹等物品安全检查，以及人体安全监测中，而且太赫兹波的应用也在逐渐在被人们挖掘。但是当前还缺乏有效的太赫兹产生和检测手段。所以太赫兹探测器的研究工作还需不断进行。

太赫兹波的探测从技术角度划分，主要有相干探测和非相干探测两种。受太赫兹辐射源输出功率低，以及受传输损耗和热辐射噪声等因素的影响，太赫兹探测信号通常比较微弱。太赫兹科学技术的进步急需发展高灵敏的太赫兹探测器。在此背景下，多种太赫兹波探测器被研制。测辐射热计是一种非相干探测器，不能记录相位信息，仅能探测器辐射功率的大小，且为了降低检测噪声，一般需要在低温下工作。热释电探测器结构比较简单，易于操作，并可在常温下工作，但其响应时间取决于新平衡温度的建立过程，不能测量快速温度变化的太赫兹辐射信号；高莱探测器响应频段宽，噪声等效功率低，响应度高，且能在室温下工作，其缺点是振动比较敏感，整体稳定性较差。此外还有太赫兹计数型探测器，如单电子晶体管探测器和量子级联激光器，主要针对1thz频率以上的光子进行检测，对1thz频率以下的低能光子探测没有明显效果，并且其整套设备非常复杂，需要在超低温下工作，因此限制了其更广泛的应用。

技术实现要素：

根据本公开的的一方面，本公开的实施例提供一种太赫兹探测器，包括由多个像素单元构成的面阵列结构，每个像素单元包括n个子像素，每个子像素包括不多于一个信号触发器，配置用于将太赫兹信号转化为电流脉冲信号，并且每个像素单元探测到的信号为n个子像素的电流脉冲信号的总和，n为整数。

在一个实施例中，每个像素单元的n个子像素并联连接。

在一个实施例中，每个子像素单元包括：

敏感单元，配置成将接收到的太赫兹信号转化为电信号；和

盖革式雪崩光电二极管；

其中，敏感单元与盖革式雪崩光电二极管电连接，并且

所述子像素单元配置成：在敏感单元没有接收到太赫兹信号时，盖革式雪崩光电二极管在偏置电压的作用下处于击穿的初始状态；在敏感单元接收到太赫兹信号时，敏感单元将太赫兹信号转换为可检测的电信号，并且将该电信号转变为电压信号并施加在盖革式雪崩光电二极管上，激发盖革式雪崩光电二极管发生雪崩，输出瞬态电流脉冲信号。

在一个实施例中，每个子像素单元还包括淬灭电阻，其中敏感单元、盖革式雪崩光电二极管以及淬灭电阻依次串联连接，并且所述子像素单元配置成：

当电流值达到一阈值后，淬灭电阻上的分压会逐渐增大，雪崩光电二极管上的分压会逐渐减小，雪崩光电二极管会恢复至初始的雪崩状态。

在一个实施例中，敏感单元包括石墨烯材料、焦热电材料、肖特基二极管检波器、高速电子迁移率晶体管中的任一种或多种的组合。

在一个实施例中，敏感单元包括肖特基二极管检波器，所述肖特基二极管检波器包括二极管主体，以及设置在二极管主体一侧的阳极和阴极。

在一个实施例中，肖特基二极管检波器的阳极和阴极面对太赫兹信号，太赫兹探测器还包括设置在盖革式雪崩光电二极管一侧之上的台阶以及设置在台阶上的电极垫，肖特基二极管检波器的阳极与电极垫电连接。

在一个实施例中，肖特基二极管检波器的阳极和阴极面对盖革式雪崩光电二极管，肖特基二极管检波器的阳极与盖革式雪崩光电二极管通过淬灭电阻电连接。

在一个实施例中，敏感单元包括高速电子迁移率晶体管，所述高速电子迁移率晶体管包括晶体管主体，以及设置在晶体管主体一侧的源极、漏极以及栅极，其中，所述高速电子迁移率晶体管的主体的一侧面对所述盖革式雪崩光电二极管，或者，所述高速电子迁移率晶体管的主体的未设置源极、漏极以及栅极的另一侧面对所述盖革式雪崩光电二极管。

在一个实施例中，敏感单元包括具有微结构的天线，配置成增强至少一个点的太赫兹信号。

在一个实施例中，太赫兹探测器还包括敏感单元透镜，太赫兹信号通过透镜聚焦后入射到敏感元件。

在一个实施例中，盖革雪崩光电二极管采用硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石墨烯、磷化铟等等半导体材料制成。

在一个实施例中，太赫兹探测器还包括钝化层，设置在敏感元件和高阻材料之间。

在一个实施例中，淬灭电阻包括多晶硅材料或其他高阻材料。

附图说明

图1示出本公开的的一个实施例的多个像素单元构成的面阵列结构和每个像素单元的平面示意图；

图2示出本公开的实施例的单个像素单元的等效电路图；

图3示出本公开的实施例的单个子像素的工作原理图；

图4示出本公开的一个实施例的像素单元的结构示意图；

图5示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图；

图6示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图；

图7示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图；

图8示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图；

图9示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图；

图10示出本公开的一个实施例的子像素的结构的截面示意图。

具体实施方式

尽管本公开的容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本公开的限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本公开的的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

在本说明书中使用了“上”、“下”等术语，并不是为了限定元件的绝对方位，而是为了描述元件在视图中的相对位置，帮助理解。本说明书中“顶侧”和“底侧”是相对于一般情况下，物体正立的上侧和下侧的方位。

下面参照附图描述根据本公开的多个实施例。

参看图1，图1示出本公开的一个实施例的多个像素单元构成的面阵列结构和每个像素单元的平面示意图。图1示意地示出实现本公开的实施例的类计数型太赫兹探测器的像素单元和子像素的关系。在图1中，每个像素单元独立输出信号，类似于常见的图像传感器cmos像素单元，或者ccd像素单元。而根据本实施例的类计数型探测器的每个像素单元由多个子像素构成，每个子像素为一个小像素单元，如图1所示。由此，像素单元构成面阵结构，而每个像素单元包括多个子像素，这些子像素也可以构成面阵结构。

每个像素单元中的多个子像素为并联结构，即每个子像素的输出信号可以互相叠加，最终信号的幅值体现为单个像素单元的输出信号。此处，每个像素单元互相之间独立输出信号。单个像素单元中包含的子像素的个数可以根据灰度梯度或者彩色梯度的需求而调整。在图1中，一个像素单元中的子像素为16×16＝256个颜色梯度。

图2示出本公开的实施例的太赫兹探测器的单个像素单元的等效电路图。如图2所示，每个像素单元由多个子像素并联构成，每个子像素可以分别由太赫兹波敏感单元10、盖革雪崩光电二极管20和淬灭电阻30构成。需要说明的是，图2示出的是本公开的一个实施例，在其他实施例中，每个子像素还可以包括其他元件；然而，每个子像素可以不包括淬灭电阻30。并联的子像素输出一个叠加的信号，显然叠加的信号比任一个子像素的信号要强得多，因而，实现增强的像素单元的输出信号。

太赫兹波敏感单元10可以为肖特基二极管(sbd)检波器103，可以为高速电子迁移率晶体管104(hemt)，可以为互补金属氧化物半导体场效应晶体管104(cmos)，可以为焦热电材、可以为石墨烯材料、也可以为纳米线等可将太赫兹信号转为电信号的敏感单元10结构。盖革雪崩光电二极管20(apd)器件是指处于击穿状态的雪崩光电二极管20，而一般在其电极上集成由多晶硅或其他高阻材料构成的等效电阻部分。

为了进一步帮助理解单个子像素的工作原理，图3示出了根据本公开的一个实施例的太赫兹探测器的单个子像素的工作原理图。当子像素单元没有接收到太赫兹信号即太赫兹电磁波时，敏感单元10输出信号非常小，因此盖革式雪崩光电二极管20(apd)仍然在偏置电压的作用下，处于击穿的初始状态；当子像素单元接收到非常微弱的太赫兹信号时，前置的敏感单元10将太赫兹信号转换为可检测的电信号，而该电信号可以转变为电压信号并施加在盖革式雪崩光电二极管20(apd)上，所以可以激发处于击穿初始状态的盖革式雪崩光电二极管20(apd)发生雪崩，从而输出一个瞬态电流脉冲信号。当电流值大到一定程度后，例如达到一阈值后，淬灭电阻30上的分压会逐渐增大，雪崩光电二极管20(apd)上的分压会逐渐减小，所以雪崩光电二极管20(apd)会恢复至初始的雪崩状态。而在这个过程该子像素受太赫兹信号激发而输出的电流脉冲信号将作为像素单元的一个分支信号。本公开采用前置敏感单元10，将接收到的微弱太赫兹信号转换为电流脉冲信号后经过低噪放大器，传递给后续读出电路，从而简化整套成像系统，可直接探测太赫兹微弱信号。

在本实施例的类计数型探测器中，将前置的敏感单元10、盖革雪崩光电二极管20和淬灭电阻30结构集成在一个子像素单元中，可以进一步优化各部分组件的匹配阻抗，提高信号转换效率，同时增强器件整体可靠性。

参看图4，实现本公开的类计数型太赫兹探测器的单个像素单元的工作过程。以上参照图3描述了单个子像素的工作工程，而一个像素单元是由多个并联的子像素构成。所以一个像素单元的信号输出值，为多个受太赫兹信号激发的子像素输出的电流脉冲信号的叠加结果，且该叠加的电流脉冲信号的幅值，是单个子像素受太赫兹信号激发输出的电流脉冲信号幅值的整数倍。即如果每个子像素接收到电流脉冲信号幅值为a，且像素单元中有n个子像素接收到了太赫兹信号触发，那么该像素单元的电流脉冲信号输出幅值可以为na(假设每个子像素输出的电流脉冲信号是相等的)。最终电流脉冲经过低噪放大器后，传给后续的读出电路，进行信号处理。

需要说明的是，每个子像素输出的电流脉冲可以是不同的，例如，在下文中，敏感元件可以是多种形式的敏感元件，当一个像素单元中使用相同的敏感元件，且每个敏感元件都具有相同的参数，那么该像素单元的电流脉冲信号输出幅值可以为na。如果敏感元件的参数不同，则像素单元的电流脉冲信号输出幅值是这些敏感元件的叠加。本公开的实施例包括多种不同类型的敏感元件构成多个子像素，这些多个子像素构成一个像素单元。

本公开中的前置的敏感单元10可以采用天线结构来增强太赫兹信号的收集。此外，敏感单元10的尺寸可以根据子像素的结构尺寸来确定，在空间受限的情况下，也可以采用超材料来代替天线结构，从而提高子像素对太赫兹信号的收集。在一个实施例中，敏感单元10包括具有微结构的天线，配置成增强具备点的太赫兹信号。天线的微结构很多，例如阶梯结构，例如图形结构，通过设置合适的微结构，天线能够收集太赫兹信号，例如聚集太赫兹信号，使得某一点或多个点的信号得以增强，从而最终实现探测灵敏度的增强。本公开提供多种敏感单元10的实施例，然而，本公开的敏感单元10不限于示出的实施方式。

图5-10示出根据本公开的多个实施例的太赫兹探测器的子像素器件的截面图像素单元。

图5给出了敏感单元10为石墨烯材料101的实施例。太赫兹电磁波可以直接入射到石墨烯材料101上面，也可以通过透镜结构聚焦后，再入射到石墨烯材料101上以提高太赫兹信号的收集效率。石墨烯材料101与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联，而该淬灭电阻30与又同雪崩光电二极管20(apd)结构串联。雪崩光电二极管20可以由p+区、n-区和n+区构成，当n+一侧电极加正偏压，并大于雪崩光电二极管20击穿电压时，雪崩光电二极管20(apd)处于击穿状态。一般偏置电压高于击穿电压3～5v。图中21指示的是耗尽区。

在图5的实施例中，太赫兹探测器的子像素器件还包括钝化层50，配置成分隔石墨烯材料101和雪崩光电二极管20，淬灭电阻30可以被钝化层50包围。

图6给出了敏感单元10为焦热电材料102的实施例。太赫兹电磁波可以直接入射到焦热电材料102上面。在一个实施例中，可以设置透镜，使得太赫兹电磁波通过透镜结构聚焦后，再入射到焦热电材料102上以提高太赫兹信号的收集效率。焦热电材料102与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联，而该淬灭电阻30与又同雪崩光电二极管20(apd)结构串联。

在图6的实施例中，太赫兹探测器的子像素器件还包括钝化层50，配置成分隔焦热电材料102与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构，淬灭电阻30可以被钝化层50包围。

图7给出了敏感单元10为肖特基二极管检波器103(sbd)的实施例，肖特基二极管检波器103可以由硅、砷化镓、氮化镓或者碳化硅1033等其他化合物半导体材料制成。太赫兹电磁波可以直接入射到肖特基二极管检波器103上面。在一个实施例中，可以设置透镜，使得太赫兹电磁波通过透镜结构聚焦后，再入射到肖特基二极管检波器103上以提高太赫兹信号的收集效率。肖特基二极管检波器103与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联，而该淬灭电阻30与又同雪崩光电二极管20(apd)结构串联。这里肖特基二极管检波器103可以使直接生长在雪崩光电二极管20和淬灭电阻30结构之上，也可以为生长好肖特基二极管检波器103后再键合到上面，并通过金属引线将像素单元电极与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联。

在图7的实施例中，太赫兹探测器的子像素器件还包括钝化层50，配置成分隔肖特基二极管检波器103的砷化镓/氮化镓层1033与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构，淬灭电阻30可以被钝化层50包围。

图8给出了敏感单元10为肖特基二极管检波器103(sbd)，肖特基二极管检波器103(sbd)可以由硅、砷化镓、氮化镓或者碳化硅1033等其他化合物半导体材料制成。太赫兹电磁波可以直接入射到肖特基二极管检波器103背面，穿透衬底材料后被收集。在一个实施例中，可以设置透镜，使得太赫兹电磁波通过透镜结构聚焦后，再入射到肖特基二极管检波器103背面并穿透衬底后被收集，以提高太赫兹信号的收集效率。肖特基二极管检波器103与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联，而该淬灭电阻30与又同雪崩光电二极管20(apd)结构串联。这里肖特基二极管检波器103可以单独加工并生成电极，然后通过倒置对准工艺与生长在雪崩光电二极管20上的淬灭电阻30结构串联。而肖特基二极管检波器103的另一电极则通过电极金属引出。

具体地，图7示出的实施例中，肖特基二极管检波器103的阳极1031和阴极1032面对太赫兹信号，太赫兹探测器还包括设置在盖革式雪崩光电二极管20一侧之上的台阶以及设置在台阶上的电极垫1034，肖特基二极管检波器103的阳极与电极垫1034电连接。图7示出的实施例，肖特基二极管检波器103包括淬灭电阻30和钝化层50，电极垫1034通过过孔与淬灭电阻30电连接。

具体地，图8示出的实施例中，肖特基二极管检波器103的阳极1031和阴极1032面对盖革式雪崩光电二极管20，肖特基二极管检波器103的阳极与盖革式雪崩光电二极管20通过淬灭电阻30电连接。图8中示出肖特基二极管检波器103的阳极通过钝化层50中的过孔直接电连接至淬灭电阻30。

图7和图8的实施例，敏感单元10为肖特基二极管检波器103，这是有利的，盖革雪崩光电二极管20结构可以为成熟的硅工艺制成，也可以为砷化镓、氮化镓或者氮化硅等化合物半导体材料制成的盖革雪崩光电二极管20器件，具体可根据参数、工艺难度及成本，综合调整与选择工艺；而肖特基二极管检波器103也可以使用成熟的半导体工艺，使得整个子像素的制造工艺可以使用成熟的半导体制造工艺，降低制造成本，提高产品的可靠性。

图9给出了敏感单元10为高速电子迁移率晶体管104(hemt)，可以由硅、砷化镓、氮化镓或者碳化硅等其他化合物半导体材料1045制成。太赫兹可以直接入射到高速电子迁移率晶体管104上面。在一个实施例中，可以设置透镜，使得太赫兹电磁波通过透镜结构聚焦后，再入射到高速电子迁移率晶体管104上以提高太赫兹信号的收集效率。高速电子迁移率晶体管104的栅电极1041需要单独控制，入射的太赫兹信号分别从栅电极1041和源电极1042进入到高速电子迁移率晶体管104中，并通过自混频方式对内部的二维电子气进行调制，从而在漏电极1043端输出电信号。这里高速电子迁移率晶体管104可以使直接生长在雪崩光电二极管20和淬灭电阻30结构之上，也可以为生长好高速电子迁移率晶体管104后再键合到上面，并通过金属引线将像素单元电极与多晶硅或高阻材料构成的淬灭电阻30结构串联。

图10给出了敏感单元10为高速电子迁移率晶体管104(hemt)，可以由硅、砷化镓、氮化镓或者碳化硅等其他化合物半导体材料1045制成。太赫兹可以直接入射到高速电子迁移率晶体管104背面，穿透衬底材料后被收集。在一个实施例中，可以设置透镜，使得太赫兹电磁波通过透镜结构聚焦后，再入射到高速电子迁移率晶体管104背面并穿透衬底后被收集，可以提高太赫兹信号的收集效率。高速电子迁移率晶体管104与多晶硅或高阳材料构成的淬灭电阻30结构串联，而该淬灭电阻30与又同雪崩光电二极管20(apd)结构串联。这里高速电子迁移率晶体管104可以单独加工并生成电极，然后通过倒置对准工艺与生长在雪崩光电二极管20上的淬灭电阻30结构串联。而高速电子迁移率晶体管104的另外两个电极则通过电极金属引出。具体地，高速电子迁移率晶体管104的栅极1041、源极1042以及漏极1043面对雪崩光电二极管20，高速电子迁移率晶体管104的栅极1041、源极1042抵接钝化层50，高速电子迁移率晶体管104的漏极1043通过钝化层50中的过孔与淬灭电阻30电连接。

本公开中的前置的敏感单元10可以为石墨烯材料、其他焦热电材料、肖特基二极管检波器103、高速电子迁移率晶体管104、以及其他可以直接或者间接将太赫兹信号转换为电信号的敏感单元10。本公开的子像素的结构灵活，也可以将使用当前其他新型的敏感单元10，此外也可以置于低温下工作，在提高敏感单元10灵敏度的同时，也降低了雪崩光电二极管20的噪声，从而整体提升探测器的性能。

本公开使用类计数型探测技术，在提高太赫兹信号检测效率的同时，提高信号检测精度。并且可以根据当前太赫兹探测技术进行调整，整体提高太赫兹的信号探测效果。

为了进一步帮助理解本公开的实施例提供的太赫兹探测器，下面描述太赫兹探测器的操作过程。

本公开的太赫兹探测器操作或使用过程如下：

当子像素单元没有接收到太赫兹信号时，敏感单元10输出信号非常小，因此盖革式雪崩光电二极管20(apd)仍然在偏置电压的作用下，处于击穿的初始状态；当子像素单元接收到即使是非常微弱的太赫兹信号时，敏感单元10将太赫兹信号转换为可检测的电信号，而该电信号可以转变为电压信号并施加在盖革式雪崩光电二极管20(apd)上，从而可以激发处于击穿初始状态的盖革式雪崩光电二极管20(apd)发生雪崩，输出一个瞬态电流脉冲信号；当电流值大到一定程度后，淬灭电阻30上的分压会逐渐增大，雪崩光电二极管20(apd)上的分压会逐渐减小，所以雪崩光电二极管20(apd)会恢复至初始的雪崩状态。

在这个过程中，每个子像素受太赫兹信号激发而输出的电流脉冲信号将作为对应的像素单元的一个子信号或分支信号。

每个像素单元是由多个并联的子像素构成。所以单个像素单元的信号输出值为多个受太赫兹信号激发的子像素输出的电流脉冲信号的叠加结果。该叠加的电流脉冲信号的幅值，是单个子像素受太赫兹信号激发输出的电流脉冲信号幅值的整数倍。即如果每个子像素接收到电流脉冲信号幅值为a，且每个像素单元中有n个子像素接收到了太赫兹信号触发，那么该像素单元的电流脉冲信号输出幅值为大约na。最终电流脉冲经过低噪放大器后，传给后续的读出电路，进行信号处理。实际结果显示，由此得到的最终电流脉冲信号强，探测器的灵敏度高。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的的范围以权利要求和它们的等同物限定。