GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种太赫兹探测器的制造方法，特别是关于一种GaAs (001)衬底上利用高电子迀移率晶体管中等离子体震荡探测太赫兹的方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹是指频率在0.1THz至3THz范围内的电磁波。在太赫兹技术领域中，太赫兹波的发射和探测始终是永恒的发展方向。不同结构的器件包括微辐射计、耿氏二极管以及高雷核广泛地应用于探测器领域，但是同时也存在需要低温制冷、探测率低等不同问题。太赫兹探测器在越来越多的科学领域有着日益广泛的应用。传统的太赫兹的探测方法包括微辐射计测温法、光电导天线探测法、高雷核探测法，各种探测器探测方法存在不同的优缺点，适用的领域范围也各不相同。
[0003]微热辐射计和高雷核都是被动直接探测太赫兹的器件。直接探测技术是探测太赫兹波的振幅，探测器同时探测到所接受的太赫兹辐射和背景辐射，而太赫兹波经聚焦透镜聚焦在探测器上，引起电信号的变化，后经放大器放大产生光电流信号。这两种探测器的优点是可以探测各种光源发生的太赫兹波，缺点是探测率低且没有相位信息，容易受到环境辐射的影响。
[0004]光电导代表的是一种主动式探测方法，它由两个蒸镀在半导体上的电极组成。当外加的飞秒激光器打到半导体上两电极之间时，半导体吸收产生大量的自由载流子。如果这时太赫兹源产生的太赫兹电场入射到天线表面，会将载流子驱赶到两个电极，使外接电流指示器产生读数。当自由载流子的寿命远小于太赫兹脉冲周期时，可认为自由载流子受到一个恒定电场的作用，此时电流强度与太赫兹电场成线性关系，并且由傅里叶变化还可得到相位信息。这种探测方法的优点在于，排除了环境噪声的影响，可得到较高信噪比的结果，并且可以进行相位测量。缺点是工作范围较窄，且需要昂贵并笨重的飞秒激光器作为激发光源。
[0005]本发明是在GaAs (001)衬底上利用高电子迀移率场效应管结构中实现二维电子气响应太赫兹波的方法，为GaAs基材料的新型光电单光子源器件集成中的高灵敏太赫兹探测提供一种技术解决方案。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其高电子迀移率场效应管中的等离子体频率和所加偏压有关，通过改变偏压大小，即可影响频率共振的范围，从而调节不同频率的响应增益，所以具有可调响应频率的特性。
[0007]本发明提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1:制作光刻掩模板，共四块，该光刻掩模板包括蝴蝶结天线；
[0009]步骤2:在GaAs衬底上依次生长第一 GaAs层、第一 AlGaAs层、第二 AlGaAs层、第三AlGaAs层和第二 GaAs层，形成外延片；
[0010]步骤3:在外延片的表面蒸镀300nm的SiCV薄膜；
[0011]步骤4:通过光刻将第一光刻掩模板的图形转移到外延片表面的SiCV薄膜上；
[0012]步骤5:刻蚀，在SiCV薄膜上形成图形；
[0013]步骤6:通过光刻将第二光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二 GaAs层上；
[0014]步骤7:腐蚀，在第二 GaAs层上形成图形；
[0015]步骤8:通过光刻将第三光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二 GaAs层和S12薄膜上；
[0016]步骤9:在外延片的表面蒸镀Au/Ge/Ni金属，剥离，在第二 GaAs层和SiCV薄膜上形成源和漏电极；
[0017]步骤10:对外延片进行退火；
[0018]步骤11:通过光刻将第四光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第三AlGaAs层上;
[0019]步骤12:在外延片的表面蒸镀Ti/Au金属，剥离，在第三AlGaAs层上形成栅电极；
[0020]步骤13:在电极上接出引线，完成制备。
[0021]本发明的有益效果是，高电子迀移率场效应管内的二维电子气所产生的等离子体的震荡频率可达到太赫兹波段，与天线接收到的太赫兹波耦合共振，改变了源和漏之间的电压大小，实现了一种在GaAs(OOl)衬底上利用高电子迀移率场效应管中实现二维电子气响应太赫兹波的方法。本发明可应用于GaAs基材料的太赫兹器件集成。
【附图说明】
[0022]为进一步说明本发明的技术方案和优点，下面以蝴蝶结天线耦合的探测器为例，对本发明做进一步详细说明，其中:
[0023]图1为本发明的制备流程图；
[0024]图2为本发明探测器的外延结构示意图；
[0025]图3为本发明探测器的器件结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]请参阅图1-图3所示，本发明提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括以下步骤:
[0027]步骤1:制作光刻掩模板，为4版3英寸暗版光刻掩膜版，共四块，分别为第一光刻掩模板、第二光刻掩模板、第三光刻掩模板、第四光刻掩模板。该光刻掩模板包括蝴蝶结天线，该蝴蝶结天线的半径为60-600 μ m，所述光刻掩模板中沟道长度为500nm-ll μπι，沟道宽度200nm_5 μ m，栅极长度为50nm_4 μ m ；
[0028]步骤2:使用分子束外延设备在GaAs (001)衬底上生长GaAs层/AlGaAs层型沟道的高电子迀移率器件结构。
[0029]具体步骤为在GaAs衬底上依次生长第一 GaAs层、第一 AlGaAs层、第二 AlGaAs层、第三AlGaAs层和第二 GaAs层，形成外延片，所述外延片中的第二 AlGaAs层的掺杂浓度为2-4E18/cm3、第三AlGaAs的掺杂浓度为l_3E17/cm3、第二 GaAs层的掺杂浓度为1-5E18/cm3，所述外延片中的第一 GaAs层的厚度为600_1000nm、第一 AlGaAs层的厚度为2_5nm、第二 AlGaAs层的厚度为40-60nm、第三AlGaAs层的厚度为20_40nm、第二 GaAs层的厚度为40_60nm ；
[0030]这样一种结构可以使得载流子(即电子)在GaAs层和AlGaAs层之间形成的沟道中运动，因为能带的关系，在这里会产生一种能谷使得电子聚集在此处。这也被称为二维电子气。其中第二 AlGaAs层的作用在于，它的掺杂原子Si在掺杂过程中释放电子，这些电子由于离上述能谷较近而聚集过去，失去电子的Si离子却固定在此处，使得电子和Si离子分离。因为Si离子是较大粒子，会对电子产生影响大的杂质散射，这样的设计就使电子远离杂质散射，从而提高了运动速率，提高了电子的迀移率。本发明设计的太赫兹探测器需要很高的电子迀移率来实现功能；
[0031]步骤3:在外延片的表面蒸镀SiCV薄膜，所述S12薄膜的厚度为300nm，其【具体实施方式】是对外延片，先用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干，然后利用等离子体增强化学气相淀积法在外延片的表面蒸镀300nm厚的SiCV薄膜；
[0032]步骤4:通过光刻将第一光刻掩模板的图形转移到外延片表面的SiCV薄膜上，其【具体实施方式】是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第一光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，然后坚膜使得固化的光刻胶进一步得到稳固以防止刻蚀时被完全刻掉，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
[0033]步骤5:刻蚀，在SiCV薄膜上形成图形，其【具体实施方式】是在有光刻胶的外延片上，使用感应耦合等离子体刻蚀技术，将外延片上没有光刻胶掩盖的Sicv薄膜去除，形成了第一光刻掩模板的图形，然后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将固化的光刻胶去除，然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干；
[0034]步骤6:通过光刻将第二光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二 GaAs层上，其【具体实施方式】是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第二光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，然后加热使得固化的光刻胶进一步得到稳固以防止腐蚀时在外延片表面漂动，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
[0035]步骤7:腐蚀，在第二 GaAs层上形成图形，所述腐蚀所用的腐蚀液是由一水合柠檬酸、水、双氧水按1:1: 2比例配制，所述腐蚀液的温度为24-28°C。腐蚀液的配置具体方法为量取定量的一水合柠檬酸，溶于相同质量的去离子水中，搅拌均匀后，倒入两倍于去离子体水体积的双氧水，继续搅拌至完全溶解。然后将外延片浸泡在腐蚀液中腐蚀7-9min，使得没有被固化的光刻胶覆盖的第二 GaAs层完全去除。之后在丙酮中浸泡外延片，使得外延片表面的光刻胶全部溶解。然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干;