一种基于相变材料的感温型太赫兹探测器的制作方法

本专利涉及太赫兹光电探测器领域，更具体的说，涉及一种基于相变材料的感温型太赫兹探测器。

背景技术：

太赫兹波是一种波长介于微波和红外之间的电磁波，其频率范围为0.1-10thz，具有定向性好、穿透性强、安全性高等特性，目前已广泛应用于通信、医疗诊断、环境检测等方面。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍较低，以及探测器多功能集成化的需求越来越强烈，发展更高灵敏度、高响应率、多功能化的太赫兹探测器，已成为当今研究热点之一。

近些年来，超构材料的发展为研究多功能调制型太赫兹探测器奠定了基础。利用电磁超材料的物理性质的环境依赖性，有关研究者已经利用外界的电场强度、光场强度、温度以及机械振动等方式改变材料等效的光学常数，实现了器件对太赫兹波的振幅、频率、相位的调制。其中，利用温度调制太赫兹器件是一种很简单方便可行的方式。在众多对温度敏感的材料中，二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，目前已经被广泛用于智能控温领域。在其相变温度以下，二氧化钒呈绝缘态，电导率较低；在其相变温度以上，二氧化钒呈现金属态，电导率相对于绝缘态增大4个数量级[1]；并且该相变为可逆相变。2012年，mengkunliu等人[2]通过在金属谐振结构的沟道里，嵌埋二氧化钒材料，利用温度变化，改变谐振条件，明显观察出温度变化对该体系透射率的影响。正是利用此相变的性质，二氧化钒目前在光开关、光存储等领域有着广泛的研究与应用。但是，目前绝大部分基于相变材料调制的太赫兹器件的研究，还只停留在温度对光学方面的透反射曲线的影响，并没有直接涉及到太赫兹探测器件的研究。

在太赫兹探测器方面，申请人所在课题组基于局域等离子体激元的理论，利用金属-半导体-金属(msm)结构，在锑化铟材料[3]上已经实现了高灵敏度室温太赫兹探测，响应频率为37.5ghz，噪声等效功率为1.5*10^-13w/hz^0.5，达到了国际领先水平。为了进一步发展更高灵敏度、高响应率的太赫兹探测器，超构材料的思想同样也为我们提供了新的思路。在非共振结构(金属-半导体-金属结构)的狭缝中，引入周期性金属光栅结构层后，通过理论分析和模拟计算，我们发现有金属光栅的非共振结构的场增强作用，相比于无金属光栅的非共振结构的场增强作用，有显著的提高，进而达到了增强太赫兹波探测的目的。除此之外，对于另外一种情形，在金属-半导体-金属(msm)结构的狭缝中，引入很薄的周期性绝缘体光栅结构层后，我们发现场增强作用的变化不明显，即对探测器的探测效果影响不大，依然保持着传统的金属-半导体-金属(msm)结构探测器的高灵敏度、高响应率的优异性能。

至此，我们可以通过在金属-半导体-金属(msm)结构的探测器敏感元(锑化铟)上，引入特定的周期性二氧化钒光栅结构层：当环境温度在68℃以下时，二氧化钒光栅结构层相当于绝缘体光栅结构层，场增强作用的变化不明显，此时探测器依然保持着高灵敏度高响应率的优异性能；当环境温度在68℃以上时，二氧化钒光栅结构层相当于金属光栅结构层，场增强作用的效果明显，此时探测器有显著增强探测的效果，促使器件的探测率、响应率等性能指标进一步的提高。

本专利制备的感温型太赫兹探测器，利用二氧化钒在环境温度为68℃的相变转换特性，引起光栅结构层的电导率剧烈变化，进而使整个器件的局域等离子体激元引起的场增强效应不同，达到一种太赫兹波探测的调制目的；在实现了0.01-3thz的宽波段快速、高灵敏响应的同时，增加了对环境温度感知的新功能。这对于优化器件结构设计和完善器件的功能都有着十分重要的意义，在科学和技术等领域将会发挥着重要作用。

参考文献：

[1]w.paul,thepresentpositionoftheoryandexperimentforvo2.mater.res.bull.8,691-702,1971

[2]m.liu,h.hwang,etal,terahertz-field-inducedinsulatortometaltransitioninvanadiumdioxidemetamaterial.nature.487,345–348,2012

[3]j.tong,etal,surfaceplasmoninduceddirectdetectionoflongwavelengthphotons.nat.commun.8,1660,2017

技术实现要素：

本专利的目的是公开一种基于相变材料的感温型太赫兹探测器的结构，在已经实现的快速、高灵敏度室温型的金属-半导体-金属(msm)结构太赫兹探测器的基础上，通过引入二氧化钒光栅结构层，不仅可以达到一种太赫兹波探测的调制目的，还增加了探测器对环境温度感知的新功能。

本专利的基于相变材料的感温型太赫兹探测器的结构描述如下：图1，图2和图3分别为本专利探测器的整体结构图、未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图，探测器敏感元部分的局部放大图。

如图1、图2和图3所示，一种基于相变材料的感温型太赫兹探测器包括：锑化铟敏感元1，二氧化钒光栅结构层2，氧化铝衬底3，树脂垫片4，天线电极5，金线焊丝6，器件引脚7，锗单晶半球透镜8，器件管座9。器件结构具体描述如下：在氧化铝衬底3的上方，依次为锑化铟敏感元1，二氧化钒光栅结构层2；氧化铝衬底3通过树脂垫片4粘贴在器件管座9上；在氧化铝衬底3表面，锑化铟敏感元1左右两侧，是天线电极5；天线电极5与器件引脚7用金线焊丝6相连；锗单晶半球透镜8封装在器件管座9上方的卡槽里。

如图1，二氧化钒光栅结构层2厚度为50nm，光栅结构的周期为5um-10um，占空比为0.5；天线电极5为总长度500um的半波天线，天线间距为50um-100um，材料为铬薄膜30nm，金薄膜300nm。

本专利的基于相变材料的感温型太赫兹探测器是这样制备的：

(1)在非晶氧化铝衬底上，用环氧树脂胶粘贴锑化铟体材料，机械减薄，得到锑化铟单晶薄层；再使用干法和湿法相结合的刻蚀工艺制作锑化铟敏感元台面；

(2)在锑化铟敏感元台面上，使用光刻工艺，曝光显影后烘，得到所设计的周期和占空比的光栅结构的图案；

(3)采用射频磁控溅射生长方法，在纯氩气环境下，在步骤(2)中的锑化铟敏感元台面上，溅射沉积钒金属薄膜；去胶清洗样品片后，得到上层为钒金属光栅结构的锑化铟敏感元台面；再使用快速热退火的方法，在高纯氧的环境下，形成上层为二氧化钒光栅结构的锑化铟敏感元台面；

(4)运用套刻技术、镀金工艺制作器件的天线电极；

(5)机械划片探测元部分后，粘贴在底座的中心；采用点焊方式，将天线电极跟器件引脚用焊丝相连，实现电学导通；盖上锗单晶半球透镜，完成封装。

本专利的基于相变材料的感温型太赫兹探测器，在实现了0.01-3thz的宽波段快速、高灵敏响应的同时，增加了感知环境温度的新功能。另外本专利器件制作工艺简单，与现有半导体工艺相兼容，易于大规模集成第三代焦平面的探测器，可以对太赫兹波信号进行成像探测。

附图说明

图1为本专利的探测器的整体结构图。

图2为未封装锗单晶半球透镜时探测器的俯视图。

图3为探测器敏感元部分的局部放大图(侧视)，虚线框为敏感元部分的单周期结构示意图。

图4为本专利实施例1-3的探测器的敏感元部分的单周期结构示意图，其中图(a)为本专利实施例1敏感元部分的单周期结构示意图；图(b)为本专利实施例2敏感元部分的单周期结构示意图；图(c)为本专利实施例3敏感元部分的单周期结构示意图。

图5为二氧化钒金属态和绝缘体态的实施例1的探测器性能(场增强)模拟图。

图6为二氧化钒金属态和绝缘体态的实施例2的探测器性能(场增强)模拟图。

图7为二氧化钒金属态和绝缘体态的实施例3的探测器性能(场增强)模拟图。

图8为本专利探测器的制备工艺流程图。

具体实施方式

为使本专利的目的、技术方案和优点更加清楚，设计了实例1-3的三种探测器，其中图4为本专利实施例1-3探测器的敏感元部分的单周期结构示意图，图5-7对应本专利实施例1-3探测器的性能(场增强)模拟图，图8为本专利的探测器的制备工艺流程图。所述探测器的制备方法具体由以下步骤实现：

实施例1：

1.选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。选用光刻胶az4330，经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制腐蚀液，获得刻蚀深度约为8um的锑化铟台面。再进行干法刻蚀，除去剩下的2um的锑化铟材料层。至此获得了厚度为10um，尺寸为90um×20um(长×宽)的锑化铟敏感元1台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

2.在锑化铟敏感元1台面上，选用耐高温的光敏型聚酰亚胺，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到所设计的周期为5um，占空比为0.5的光栅结构的图案。

3.采用射频磁控溅射生长方法，在纯氩气环境下，溅射沉积钒金属薄膜，设置溅射功率为70w，溅射时间约为10分钟，得到厚度约为50nm的钒金属薄膜；去胶清洗样品片后，得到上层为钒金属光栅结构的锑化铟敏感元台面；再使用快速热退火的方法，在高纯氧的环境下，形成周期为5um，占空比为0.5的二氧化钒光栅结构层2。

4.选用光刻胶az4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到总长度为500um，中间间距为50um的半波天线的图形。再使用电子束蒸发工艺，镀制30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出天线电极5，天线总长度为500um，间距为50um。

5.机械划片探测元部分后，通过树脂垫片4粘贴在器件管座9的中心；再采用点焊技术，将天线电极5跟器件引脚7用金线焊丝6相连，实现电学导通；在器件管座9的上方，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。

实施例2：

1.选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。选用光刻胶az4330，经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制腐蚀液，获得刻蚀深度约为8um的锑化铟台面。再进行干法刻蚀，除去剩下的2um的锑化铟材料层。至此获得了厚度为10um，尺寸为120um×20um(长×宽)的锑化铟敏感元1台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

2.在锑化铟敏感元1台面上，选用耐高温的光敏型聚酰亚胺，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到所设计的周期为8um，占空比为0.5的光栅结构的图案。

3.采用射频磁控溅射生长方法，在纯氩气环境下，溅射沉积钒金属薄膜，设置溅射功率为70w，溅射时间约为10分钟，得到厚度约为50nm的钒金属薄膜；去胶清洗样品片后，得到上层为钒金属光栅结构的锑化铟敏感元台面；再使用快速热退火的方法，在高纯氧的环境下，形成周期为8um，占空比为0.5的二氧化钒光栅结构层2。

4.选用光刻胶az4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到总长度为500um，中间间距为80um的半波天线的图形。再使用电子束蒸发工艺，镀制30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出天线电极5，天线总长度为500um，间距为80um。

5.机械划片探测元部分后，通过树脂垫片4粘贴在器件管座9的中心；再采用点焊技术，将天线电极5跟器件引脚7用金线焊丝6相连，实现电学导通；在器件管座9的上方，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。

实施例3：

1.选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。选用光刻胶az4330，经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制腐蚀液，获得刻蚀深度约为8um的锑化铟台面。再进行干法刻蚀，除去剩下的2um的锑化铟材料层。至此获得了厚度为10um，尺寸为140um×20um(长×宽)的锑化铟敏感元1台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

2.在锑化铟敏感元1台面上，选用耐高温的光敏型聚酰亚胺，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。经过匀胶曝光显影后烘等光刻工艺后，得到所设计的周期为10um，占空比为0.5的光栅结构的图案。

3.采用射频磁控溅射生长方法，在纯氩气环境下，溅射沉积钒金属薄膜，设置溅射功率为70w，溅射时间约为10分钟，得到厚度约为50nm的钒金属薄膜；去胶清洗样品片后，得到上层为钒金属光栅结构的锑化铟敏感元台面；再使用快速热退火的方法，在高纯氧的环境下，形成周期为10um，占空比为0.5的二氧化钒光栅结构层2。

4.选用光刻胶az4330进行图形光刻，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为4000转/分，匀胶时间设为30秒。前烘曝光显影，得到总长度为500um，中间间距为100um的半波天线的图形。再使用电子束蒸发工艺，镀制30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出天线电极5，天线总长度为500um，间距为100um。

5.机械划片探测元部分后，通过树脂垫片4粘贴在器件管座9的中心；再采用点焊技术，将天线电极5跟器件引脚7用金线焊丝6相连，实现电学导通；在器件管座9的上方，粘贴锗单晶半球透镜8，完成封装。

以上所述的具体实施例，对本专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利的具体实施例而已，并不用于限制本专利，凡在本专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。