一种基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器及制备方法与流程

本发明涉及太赫兹光电探测器领域，更具体的说，涉及一种基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器及制备方法。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1-10thz(波长30-3000um)范围内的电磁波，介于微波与红外之间，具有定向性好、穿透性强、安全性高等特性，目前在材料物理、生物检测、信息通讯、大气遥感、医学成像等方面展示出广泛的应用潜力，已成为当今研究热点之一。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍较低，因此对太赫兹探测器的灵敏度和响应率有很高的要求。室温工作、响应速度快、探测率高、信噪比高、易于大规模集成焦平面探测器等性能指标成为了未来太赫兹波探测器的发展方向。

其中，锑化铟作为一种典型的窄禁带半导体材料，具有电子迁移率高、漂移速度大等优点，近年来成为了人们研究太赫兹探测的热点材料。2013年以来，申请人所在课题组基于太赫兹电磁辐射诱导势阱(eiw)束缚载流子的物理模型，在碲镉汞材料[1-2]上实现了金属-半导体-金属(msm)结构新型高灵敏度室温太赫兹探测器；2017年，申请人所在课题组又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，在锑化铟材料上实现了高灵敏度室温太赫兹探测，目前锑化铟材料[3]工作温度为室温，响应频率为37.5ghz，噪声等效功率为1.5*10^-13w/hz^0.5。

与此同时，过去的数十年中，超构材料因其具有天然材料所不具备的超常物理性质，极大提升了人们对电磁波传播的调控能力，引起了众多科学领域相关学者的广泛关注。目前，超构材料已经在“完美透镜”、电磁黑洞、光场局域、偏振转换、全息成像、异常透射、数字编码等方面展现出极强的应用价值。

因此，可以利用超材料设计的思想，通过在金属-半导体-金属(msm)结构的探测器敏感元(锑化铟)上，引入特殊的结构层，使得敏感元(锑化铟)上的等离子体激元引起的场增强效应进一步增强，从而引起敏感元(锑化铟)电导率的变化更剧烈，达到增强太赫兹波探测的能力：一是锑化铟光栅结构层表面支持的等离子激元和天线电极间局域等离子激元形成电场耦合增强效应；二是场增强效应会引起敏感元(锑化铟)对光的吸收能力更强，更多能量吸收会引起电导率变化更大，因此达到了增强器件对太赫兹波探测的效果。

本发明的基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器，在前人的金属-半导体-金属(msm)结构基础上，通过刻蚀工艺，引入了锑化铟介质超表面结构层，使得器件中锑化铟敏感元上的局域等离子体激元引起的场增强效应进一步增强，探测率、响应率等方面得到进一步提高，可实现室温条件下0.03-3thz的宽波段快速、高灵敏响应，在科学和技术等领域等方面将会发挥着重要作用。参考文献：

[1]z.huang，etal，room-temperaturephotoconductivityfarbelowthesemiconductorbandgap.adv.mater.26，6594，2014

[2]z.huang，etal，terahertzdetection:extremesensitivityofroom-temperaturephotoelectriceffectforterahertzdetection.adv.mater.28，111，2016

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

技术实现要素：

本发明的目的是公开一种基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器的结构，提供了器件制备方法。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，通过刻蚀敏感元部分，使得器件中锑化铟敏感元上的局域等离子体激元引起的场增强效应进一步增强，达到增强器件的太赫兹探测的能力。

本发明的基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器的结构描述如下：图1，图2和图3分别为本发明探测器的整体结构图、探测器结构的俯视图及天线结构局部放大图，图4为探测器的敏感元部分的局部放大图。

如图1、图2、图3、图4所示，一种基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器包括：锑化铟敏感元1，锑化铟介质超表面结构层2，氧化铝衬底3，天线电极4，树脂垫片5，金线焊丝6，器件引脚7，器件管座8。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，锑化铟介质超表面结构层2；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4；氧化铝衬底3通过树脂垫片5粘贴在器件管座8上；天线电极4与器件引脚7用金线焊丝6相连。

如图1，衬底3为非晶氧化铝宝石片，厚度为100um；锑化铟敏感元1和锑化铟介质超表面结构层2的总厚度为10um，其中锑化铟敏感元1厚度为8um或者9um；锑化铟介质超表面结构层2厚度为2um或者1um，刻蚀的光栅结构的周期为5um或者10um，占空比为0.5；天线电极4为半径1mm的对数螺旋天线，天线间距为100-150um，材料为铬薄膜30nm，金薄膜300nm。

本发明的基于锑化铟的刻蚀增强型太赫兹探测器是这样制备的：

(1)在非晶氧化铝衬底上，用环氧树脂胶粘接单面抛光的锑化铟体材料，机械减薄,得到锑化铟单晶薄层；

(2)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；

(3)在锑化铟敏感元台面上，使用电子束曝光技术，曝光所设计的周期和占空比的光栅结构；再结合半导体的刻蚀工艺，刻蚀特定深度的锑化铟敏感元台面，形成具有周期性光栅结构的锑化铟刻蚀型敏感元；

(4)运用套刻技术、镀金工艺制作器件的耦合天线和电极；

(5)用机械划片的方式，对探测元进行切片，并通过树脂垫片粘贴在管座上；采用点焊技术，将电极和器件引脚用金线焊丝相连，完成电学导通。

本发明的锑化铟刻蚀增强型太赫兹探测器，在过去的金属-半导体-金属(msm)结构基础上，通过引入特殊的锑化铟介质超表面结构层，达到了增强太赫兹波探测的能力，促使器件的响应率和探测率等性能指标进一步的提高，对于优化器件结构设计和改善器件性能都有着十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的探测器的整体结构图。

图2为本发明的探测器结构的俯视图。

图3为天线结构局部放大图(俯视)。

图4为探测器的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5为本发明实施例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)为本发明实施例1敏感元部分的单周期结构示意图；图(b)为本发明实施例2敏感元部分的单周期结构示意图；图(c)为本发明实施例3敏感元部分的单周期结构示意图。

图6为有无锑化铟介质超表面结构层的实施例1的探测器性能(场增强)模拟图，其中图(a)是无锑化铟介质超表面结构层的实施例1的探测器的性能(场增强)模拟图，图(b)是实施例1的探测器的性能(场增强)模拟图。

图7为有无锑化铟介质超表面结构层的实施例2的探测器性能(场增强)模拟图，其中图(a)是无锑化铟介质超表面结构层的实施例2的探测器的性能(场增强)模拟图，图(b)是实施例2的探测器的性能(场增强)模拟图。

图8为有无锑化铟介质超表面结构层的实施例3的探测器性能(场增强)模拟图，其中图(a)是无锑化铟介质超表面结构层的实施例3的探测器的性能(场增强)模拟图，图(b)是实施例3的探测器的性能(场增强)模拟图。

图9为本发明的探测器的制备工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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5为本发明实施例1-3的探测器的敏感元部分的单周期结构示意图，图6-8对应本发明实施例1-3的探测器的性能(场增强)模拟图，图9为本发明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.制备锑化铟单晶薄层。选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用金刚刀沿解理面切割，获得面积1cm×1cm的锑化铟基片；使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干；使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在1.5cm×1.5cm的厚度为100um的非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。

2.制作锑化铟敏感元台面。选用光刻胶az4330，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，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制刻蚀液，获得刻蚀深度为8um的insb台面。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，除去剩下的2um的锑化铟材料层，获得锑化铟敏感元1和锑化铟介质超表面结构层2，总厚度为10um，尺寸为200um×50um(长×宽)的台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

3.制作锑化铟介质超表面结构层。选用ar-p6510电子束光刻胶进行电子束曝光，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为5000转/分，匀胶时间设为30秒。导入设计的光栅图形，采用cabl-9000c电子束曝光系统，加速电压10kev，电子束流25pa，对敏感元部分曝光，得到周期为10um，占空比为0.5的光栅。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出深度为1um的锑化铟光栅层结构。至此，锑化铟介质超表面结构层2为厚度为1um，尺寸为200um×50um(长×宽)，周期为10um，占空比为0.5的锑化铟光栅；此时锑化铟敏感元1的厚度为9um，尺寸为200um×50um(长×宽)。

4.制作天线和电极。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，得到半径为1mm，间距为100um的对数螺旋天线的光刻图形。使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出对数螺旋天线电极4，天线半径为1mm，电极间距100um。

5.切片与封装。用机械划片的方式，对探测元进行切片，并通过树脂垫片5，用环氧树脂胶粘贴在器件管座8上；运用点焊技术，将天线电极4用金线焊丝6连接到器件引脚7上，实现电学导通，并对器件进行封装。

实施例2：

1.制备锑化铟单晶薄层。选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用金刚刀沿解理面切割，获得面积1cm×1cm的锑化铟基片；使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干；使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在1.5cm×1.5cm的厚度为100um的非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。

2.制作锑化铟敏感元台面。选用光刻胶az4330，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，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制刻蚀液，获得刻蚀深度为8um的insb台面。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，除去剩下的2um的锑化铟材料层，获得锑化铟敏感元1和锑化铟介质超表面结构层2，总厚度为10um，尺寸为200um×50um(长×宽)的台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

3.制作锑化铟介质超表面结构层。选用ar-p6510电子束光刻胶进行电子束曝光，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为5000转/分，匀胶时间设为30秒。导入设计的光栅图形，采用cabl-9000c电子束曝光系统，加速电压10kev，电子束流25pa，对敏感元部分曝光，得到周期为10um，占空比为0.5的光栅。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出深度为2um的锑化铟光栅层结构。至此，锑化铟介质超表面结构层2为厚度为2um，尺寸为200um×50um(长×宽)，周期为10um，占空比为0.5的锑化铟光栅；此时锑化铟敏感元1的厚度为8um，尺寸为200um×50um(长×宽)。

4.制作天线和电极。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，得到半径为1mm，间距为120um的对数螺旋天线的光刻图形。使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出对数螺旋天线电极4，天线半径为1mm，电极间距120um。

5.切片与封装。用机械划片的方式，对探测元进行切片，并通过树脂垫片5，用环氧树脂胶粘贴在器件管座8上；运用点焊技术，将天线电极4用金线焊丝6连接到器件引脚7上，实现电学导通，并对器件进行封装。

实施例3：

1.制备锑化铟单晶薄层。选用(111)晶向未掺杂单抛锑化铟单晶材料，使用金刚刀沿解理面切割，获得面积1cm×1cm的锑化铟基片；使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干；使用环氧树脂胶将锑化铟材料样品的单抛面粘贴在1.5cm×1.5cm的厚度为100um的非晶氧化铝衬底3上，机械减薄，将锑化铟单晶厚度减薄至10微米。

2.制作锑化铟敏感元台面。选用光刻胶az4330，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，得到光刻图形。先进行湿法刻蚀，按照hf：hac：h2o2＝1:1:1的比例配制刻蚀液，获得刻蚀深度为8um的insb台面。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，除去剩下的2um的锑化铟材料层，获得锑化铟敏感元1和锑化铟介质超表面结构层2，总厚度为10um，尺寸为200um×50um(长×宽)的台面。再次使用丙酮、酒精、去离子水清洗样品片，并用氮气吹干。

3.制作锑化铟介质超表面结构层。选用ar-p6510电子束光刻胶进行电子束曝光，匀胶机转速设为前转500转/分，时间为5s，后转为5000转/分，匀胶时间设为30秒。导入设计的光栅图形，采用cabl-9000c电子束曝光系统，加速电压10kev，电子束流25pa，对敏感元部分曝光，得到周期为5um，占空比为0.5的光栅。再进行干法刻蚀，使用氩离子刻蚀方法，刻蚀出深度为1um的锑化铟光栅层结构。至此，锑化铟介质超表面结构层2为厚度为1um，尺寸为200um×50um(长×宽)，周期为5um，占空比为0.5的锑化铟光栅；此时锑化铟敏感元1的厚度为9um，尺寸为200um×50um(长×宽)。

4.制作天线和电极。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，得到半径为1mm，间距为150um的对数螺旋天线的光刻图形。使用电子束蒸发得到30nm厚的铬膜和300nm厚的金膜。再用丙酮去胶和浮金，使用酒精、去离子水清洗样品片，氮气吹干。制作出对数螺旋天线电极4，天线半径为1mm，电极间距150um。

5.切片与封装。用机械划片的方式，对探测元进行切片，并通过树脂垫片5，用环氧树脂胶粘贴在器件管座8上；运用点焊技术，将天线电极4用金线焊丝6连接到器件引脚7上，实现电学导通，并对器件进行封装。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。