一种锑化铟太赫兹探测器的制作方法

本专利涉及一种太赫兹探测器的制作方法，更具体的说，涉及一种基于电磁波诱导势阱效应的锑化铟太赫兹探测器。

背景技术：

太赫兹(Terahertz/THz)波是指频率在0.1-10THz(波长30-3000μm)范围内的电磁波，具有低能性、相干性、宽带性和穿透性等特性。因为这些独特性质，太赫兹波在通信、天文、医学成像、无损检测和安保等领域具有广泛的应用潜力，近年来已经成为国内外研究的热点[1-3]。太赫兹技术发展的重要研究内容之一是太赫兹探测技术，发展工作灵敏度高、使用方便、成本合理的太赫兹探测器，将在生物医学及化学、环境监测、天文学和遥感、通信技术、安全检查等领域发挥巨大效用，具有重大的应用意义[4-6]。

锑化铟材料是一种典型的窄禁带半导体材料，近数十年来人们开展了此类材料应用于太赫兹探测的研究工作。利用InSb材料在低温下的热电子效应，人们制作了液氦制冷的InSb热电子Bolometer，工作温度为低于4.2K，响应波段为f<1.5THz，NEP优于10^-13W/Hz^0.5[7]。基于热电子效应的InSb的液氦制冷型太赫兹探测器已有商用型号，然而这些器件都要在液氦温度或更低温度下工作，不易实际广泛应用。2013年以来，申请人所在课题组发展了基于碲镉汞材料的金属-半导体-金属(MSM)结构新型高灵敏度室温太赫兹探测器[8-10]，并在理论上提出了一种新颖的解释。Sizov等人(2015)在实验上也报道了MSM结构碲镉汞器件对0.14THz信号的高灵敏度响应[11]。课题组通过构建合适的MSM结构，观察到碲镉汞材料(MCT)对太赫兹波的室温光电导现象，并基于太赫兹电磁辐射诱导势阱(EIW)束缚载流子的物理模型对探测机理进行了解释。基于碲镉汞材料的新型太赫兹探测器实现了较好性能，同样的，三五族窄禁带半导体锑化铟材料也是制备新型太赫兹探测器件的较佳选择。

锑化铟材料是一种性能优良的三五族窄禁带半导体，具有电子饱和漂移速度大、迁移率高，且俄歇系数较小等优点[12]；相比碲镉汞材料，锑化铟材料声子吸收的波数范围更小。文献表明，锑化铟材料在4.2-6THz(140-200cm^-1)频段范围内存在声子吸收峰；在小于140cm^-1(波长大于70μm)范围内无声子吸收峰，而以自由载流子吸收为主，这使得锑化铟探测器在小于4THz的较宽波段范围内工作成为可能[13]。

本专利涉及的锑化铟探测器，可实现对0.04THz-2.5THz的宽波段响应，以及室温和适当制冷条件下的高速、高灵敏检测。0.34THz和0.5THz是两个应用上较为重要的频率点，在军事、通信、科学研究等方面发挥着重要作用[14-16]。因此，本专利将通过设置适当的底反射介质层，提高0.34THz、0.5THz等频率点的响应性能。

以上所涉及的参考文献如下：

[1]Bowlan,P.,et al.,Terahertz radiative coupling and damping in multilayer graphene.New J.Phys.16(2014)013027.

[2]Sizov,F.and A.Rogalski,THz detectors.Prog.Quant.Electron.,2010.34(5):p.278-347.

[3]Tonouchi,M.,Cutting-edge terahertz technology.Nature Photon.,2007.1(2):p.97-105.

[4]Tang,L.,et al.,Nanometre-scale germanium photodetector enhanced by a near-infrared dipole antenna.Nature Photon.,2008.2(4):p.226-229.

[5]Rogalski,A.,J.Antoszewski,and L.Faraone,Third-generation infrared photodetector arrays.J.Appl.Phys.,2009.105(9)091101.

[6]Horiuchi,N.,Terahertz Technology Endless Applications.Nature Photon.,2010.4(3):p.140-140.

[7]Padman,R.,et al.,A Dual-Polarization InSb Receiver for 461/492 GHz.Int.J.Infrared Milli.,1992.13(10):p.1487-1513.

[8]Z.M.Huang,J.C.Tong,et al.,Room-Temperature Photoconductivity Far Below the Semiconductor Bandgap,Adv.Mater.,2014,26(38):6594-6598.

[9]Zhiming Huang,Wei Zhou,et al.,Directly tailoring photon-electron coupling for sensitive photoconductance,Sci.Rep.,2016,6,22938.

[10]Zhiming Huang,Wei Zhou,et al.,Extreme Sensitivity of Room-Temperature Photoelectric Effect for Terahertz Detection,Adv.Mater.,2016,28(1),112-117.

[11]F.Sizov,et al.,Two-color detector:Mercury-cadmium-telluride as a terahertz and infrared detector,Appl.Phys.Lett.,2015,106(8):814-3526.

[12]Levinshtein,et al.,Handbook series on semiconductor parameters,v.2:ternary and quaternary III-V compounds.1996:Singapore:World Scientific.

[13]Palik,E.D.,Handbook of Optical constants of Solids.Academic,1985.

[14]J.Li,et al.,Low-noise 0.5 THz all-NbN superconductor-insulator-supercon-ductor mixer for submillimeter wave astronomy,Appl.Phys.Lett.,2008,92(22):222504.

[15]O.Mitrofanov,et al.,Collection-mode near-field imaging with 0.5-THz pulses,IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.,2001,7(4):600.

[16]C.Wang,et al.,0.34-THz Wireless Link Based on High-Order Modulation for Future Wireless Local Area Network Applications,Ieee T.THz Sci.Techn.,2014,4(1):75.

技术实现要素：
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本专利的目的是公开一种锑化铟太赫兹探测器的结构，解决了热电子效应探测器需深低温制冷及热探测器响应速度慢的问题，可满足室温或适当制冷条件下实现高速、高灵敏度太赫兹探测的应用需求。

本专利的锑化铟太赫兹探测器的结构描述如下：图1和图2分别为本专利探测器器件结构图及局部放大图(侧视)，图3(a)和图3(b)为本专利探测器器件结构图(俯视)。如图1、图3所示，InSb太赫兹探测器器件结构包括：高阻硅超半球镜1，氧化铝衬底2，环氧树脂胶3，金属转接片4，导电硅脂5，器件管座6，天线电极7，反射介质层8，金线9，InSb探测敏感元10，表面钝化膜层11，铬金反射层12，树脂垫片13。器件结构具体描述如下：高阻硅超半球镜1中心下方依次为环氧树脂胶3与衬底2，其两侧粘贴有金属转接片4，在衬底2中心的下方，依次为锑化铟敏感元10，表面钝化膜层11，反射介质层8，铬金金属层12。在衬底2表面敏感元10左右两侧，制作有天线电极7，分别与锑化铟敏感元10两侧相连，天线电极7通过金线9与两侧金属转接片4相连，金属转接片4下方通过导电硅脂5与器件管座6引脚相连，管座6上方粘接的树脂垫片13实现对高阻硅超半球镜1的机械支撑。如图1，超半球镜1使用电阻率大于10000Ω·cm的高纯硅加工制成，直径12mm，延伸长度1.74mm；衬底2为氧化铝白宝石片，厚度为0.25mm，尺寸为1.4mm×4.2mm；锑化铟敏感元10厚度8-11μm，电极间距为15-90μm，表面SiO_x钝化膜厚度700nm；天线电极7为总长0.45-0.90mm的蝶形电极，或总长0.60-0.90mm 的对数螺旋天线，Cr层30nm，Au层400nm；反射介质层8为厚度0.54mm的SiO₂片或厚度0.31mm的高阻硅片，尺寸1.5mm×3mm，反射层为铬金膜层，Cr层30nm，Au层400nm。如图3，器件管座上方有树脂垫片13粘接在衬底2的两侧，树脂垫片13厚度1.0mm，尺寸为3mm见方，上方粘接有高阻硅超半球镜1，通过树脂垫片13实现对高阻硅镜和InSb探测敏感元10的机械支撑。

本专利锑化铟太赫兹探测器是这样制备的：

(1)使用环氧树脂胶在氧化铝衬底上粘接单面抛光的锑化铟体材料(抛光面与衬底粘接)，减薄并抛光，得到锑化铟薄层；使用化学气相沉积法在锑化铟薄层表面低温生长SiO_x钝化膜；

(2)使用干湿法刻蚀结合的半导体刻蚀工艺制作锑化铟敏感元台面，使用光刻、镀金工艺制作器件的平面耦合天线，将氧化铝衬底粘贴到高阻硅透镜中心并将金丝引线引出到转接金属片上；

(3)在器件敏感元上设置合适厚度的，背面镀金的反射介质层，增强敏感元位置特定频率太赫兹波的电场强度；设置尺寸1.5mm×3mm，厚度0.54mm的SiO₂介质层或厚度0.31mm的高阻硅介质层，下表面镀铬金膜层。对340GHz和500GHz光波而言，此介质层产生的光程差均为四分之一波长的偶数倍，可使得反射回器件位置的太赫兹光与入射光相位相同而相干增强，使得器件在这两个波长位置的响应增强；

(4)使用导电硅脂实现转接金属片和器件管脚的电学连接，使用树脂垫片实现对硅镜和器件的机械支撑。

本专利的金属-锑化铟-金属结构的探测器件，可实现对0.04THz-2.5THz的宽波段响应及高速、高灵敏检测，结合适当的底反射介质层，可将部分透射的太赫兹光反射回器件位置，与原入射光相干增强，提高0.34THz、0.5THz等频点的响应，相对于无反射介质层的器件提高约100％以上。

附图说明：

图1为本专利的InSb太赫兹探测器器件结构图(侧视)。

图2为探测器结构图的局部放大图(侧视)。

图3为本专利实施例1-6的InSb太赫兹探测器器件结构图，其中图(a)为本专利实施例1-3的InSb太赫兹探测器器件结构图，采用对数螺旋天线电极；图(b)为本专利实施例4-6的InSb太赫兹探测器器件结构图(俯视)，采用蝶形天线电极。

图4为本专利的InSb太赫兹探测器制备方法流程图。

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，下面结合附图描述本专利的示例性实施例的技术方案。

依照上述结构，制作了6个实施例探测器：

实施例探测器1～3：侧视图如图1所示，俯视图与图3(a)相对应。在衬底2上，依次为锑化铟敏感元10，表面钝化膜层11，反射介质层8，铬金金属层12。在衬底2表面敏感元10的左右两侧，制作有天线电极7，分别与锑化铟敏感元10两侧相连，敏感元10为宽50μm的微台面，表面SiO_x钝化膜11厚度700nm；氧化铝白宝石衬底2厚0.25mm，尺寸为1.4mm×4.2mm；反射介质层8为厚度0.54mm，尺寸1.5mm×3mm的SiO₂片。器件管座6上有树脂垫片13位于衬底2的两侧，树脂垫片13尺寸为3mm见方，其上方粘接有高阻硅超半球镜1，通过树脂垫片实现对高阻硅超半球镜1和InSb探测敏感元10的机械支撑。实施例1中，敏感元厚度8μm，两侧电极间距15μm，分别与总长0.6mm的对数螺旋天线电极呈中心对称的两个旋臂相连；实施例2中，敏感元厚度10μm，两侧电极间距50μm，分别与总长0.75mm的对数螺旋天线电极呈中心对称的两个旋臂相连；实施例3中，敏感元两侧电极间距90μm，厚度11μm，分别与总长0.90mm的对数螺旋天线电极呈中心对称的两个旋臂相连。

实施例探测器4～6：侧视图如图1所示，俯视图与图3(b)相对应。在衬底2上，依次为锑化铟敏感元10，反射介质层8，表面钝化膜层11，铬金金属层12。在衬底表面敏感元10的左右两侧，制作有天线电极7，分别与锑化铟敏感元两侧相连。敏感元为宽50μm的微台面，表面SiO_x钝化膜厚度700nm；氧化铝白宝石衬底2厚0.25mm，尺寸为1.4mm×4.2mm；反射介质层8为厚度0.31mm，尺寸1.5mm×3mm的高阻硅片。器件管座6上有树脂垫片13在衬底2的两侧，树脂垫片13尺寸为3mm见方，上方粘接有高阻硅超半球镜1，通过树脂垫片实现对高阻硅镜1和InSb探测敏感元10的机械支撑。实施例4中，敏感元两侧电极间距15μm，厚度8μm，两侧分别与左右对称、总长0.45mm的蝶形天线的两个蝶瓣相连；实施例5中，敏感元两侧电极间距50μm，厚度10μm，两侧分别与左右对称、总长0.60mm的蝶形天线的两个蝶瓣相连，实施例6中，敏感元两侧电极间距90μm，厚度11μm，两侧分别与左右对称、总长0.90mm的蝶形天线的两个蝶瓣相连。

图4为本专利实施例1-6所使用的InSb太赫兹探测器制备方法流程图。如图4所示，InSb太赫兹探测器制备方法包括贴片及减薄制作InSb膜层，表面钝化处理，制作探测器敏感元及耦合天线电极，衬底切割及器件点焊封装等几个流程，具体流程描述如下：

1选用(111)晶向未掺杂的单抛n型InSb单晶材料，采用AZ 1500光刻胶保护单晶材料的光滑面，使用金刚刀沿材料解理面划刻并切割，获得面积为1.2×1.2cm²的方形InSb衬底片。

2使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，使用干燥氮气吹干。使用环氧树脂胶将InSb体材料样品的光滑面粘贴在直径18mm，厚度0.25mm的氧化铝衬底2上。通过手动打磨的方式将InSb衬底片减薄至50微米，改用机械抛光机进一步减薄，将膜层厚度减薄至8-11微米。

3材料表面钝化。使用Tystar公司的低压CVD反应器，利用紫外光增强低温沉积的方式制备SiO_x介质膜作为材料表面钝化膜层。钝化膜制备分两步：第一步，工作气体SiH₄：Ni₂O＝6sccm:120sccm，沉积时间30分钟，工作气压800mTorr，沉积温度150℃；第二步，工作气体SiH₄：Ni₂O＝10sccm:60sccm，沉积时间50分钟，工作气压600mTorr，沉积温度150℃，钝化层总厚度为700nm。

4图形光刻及湿法腐蚀。选用光刻胶AZ 5200进行图形光刻，匀胶机转速设为4000转/分，匀胶时间设为30秒。图形光刻，显影获得光刻胶条。湿法刻蚀：按照HF：HAC：H₂O₂＝1:1:1的比例配制刻蚀液，进行湿法刻蚀，获得部分刻蚀(刻蚀深度6-7微米)的InSb台面。干法刻蚀：使用氩离子干法刻蚀方法，除去剩下的InSb材料层和环氧树脂粘胶层，获得InSb微台面。分别使用丙酮、酒精、去离子水依次清洗样品片3分钟，将残余光刻胶清除干净，使用氮气将样片吹干。

5镀金。选用光刻胶AZ4620进行图形光刻，匀胶机转速设为4000转/分，匀胶时间设为30秒。图形光刻，显影，获得天线电极图样。使用磁控溅射镀制30nm厚的Cr膜和400nm厚的Au膜。使用丙酮浸泡样品5分钟，完成去胶和浮金。使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出对数螺旋天线电极7，天线总长0.60mm-0.90mm，电极间距15-90μm，如图3a所示。可选的，制作蝶形天线7，天线总长0.45mm-0.90mm，电极间距15-90μm，如图3b所示。

6切片与点焊。使用金刚刀划片机沿十字对准标记对样品进行划片。使用环氧树脂胶3将氧化铝衬底2粘接到直径12mm、延伸长度1.74mm的超半球硅镜1的中心位置，使用WT-2330型金丝球焊机进行引线焊接，使用直径25微米的金线9，将器件天线电极7连接到已预先粘接到高阻硅镜1表面衬底2两侧的金属转接片4上。

7反射介质层8的设置。设置厚度0.54mm，尺寸1.5mm×3mm的SiO₂衬底片作为反射介质层8，可选的，设置厚度0.31mm，尺寸1.5mm×3mm的高阻硅片作为反射介质层8，并在该上镀铬金反射层11，Cr膜厚30nm，Au膜厚400nm。使用环氧树脂胶将反射介质层8粘贴到器件表面，反射介质层8中心对准探测元。

8使用导电硅脂5实现金属转接片4和器件管座6的电学连接，使用树脂垫片13，通过环氧树脂胶粘接，实现器件管座6对高阻硅超半球镜1和InSb探测敏感元10的机械支撑。

显然所描述的实施例只是本专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本专利范围的限制。基于本专利的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。