基于氮化镓高电子迁移率晶体管的室温太赫兹探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹信号探测领域，尤其涉及一种基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹通常是指频率(lOOGHz-lOTHz)介于红外和微波之间的电磁波。太赫兹电磁波具有安全、对无极性介质穿透力强、空间分辨率和时间分辨率高等特点，所以它在无损检测、医学成像、安全检查、材料表征和深空通讯方面有重要的应用前景。目前使用的太赫兹探测器或需要低温工作，或响应速度慢，或响应度低，或体积庞大。因此，急需开发出一种室温工作、体积小、能够集成、响应速度快、响应度高的太赫兹探测器。2002年，Knap等人在利用场效应晶体管(FET)实现非共振式太赫兹探测(参考Knap W1Deng Y，et al.Journal ofApplied Physics，2002,91(11):9346-9353.)。但是该探测器灵敏度低，等效噪声功率高，探测器性能还需进一步提高。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明提出对现有太赫兹探测器的结构进行改进，增加纳米天线，并使纳米天线与栅极的结构相互呼应，以增强纳米天线的电场效应，提高探测器灵敏度。
[0004]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0005]—种基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，包括氮化镓高电子迀移率晶体管，氮化镓高电子迀移率晶体管设有源极、栅极和漏极，还包括一纳米天线，纳米天线位于氮化镓高电子迀移率晶体管的源极和漏极之间、栅极一侧且与栅极之间间隔一定距离;栅极在与纳米天线相邻的一侧设有与纳米天线相对应形状和间隔的突起阵列，突起阵列与纳米天线构成尖对尖结构，用于增强太赫兹电场。
[0006]本发明基于氮化镓高电子迀移率晶体管的原有结构，在源极和漏极之间设置纳米天线，可将太赫兹电磁波耦合到氮化镓高电子迀移率晶体管的二维电子气沟道内，提高太赫兹探测器的灵敏度；同时在与纳米天线相邻的栅极上设置突起结构，与纳米天线形成尖对尖结构，可有效增强在二维电子气沟道内产生的太赫兹电场强度，以提高探测器的响应度。纳米天线仅在栅极一侧设置，不构成对称，避免对称结构产生的信号相互抵消。
[0007]优选的，所述的纳米天线采用矩形偶极子天线。纳米天线长度范围为10nm-lOOOnm，宽度为100nm，间距为100nm-1000nm。
[0008]优选的，所述的纳米天线采用三角形天线。纳米天线长度为10nm-1OOOnm，尖端角度为30° -60。ο
[0009]进一步，所述的纳米天线与栅极上的突起之间相隔50nm-300nm。本发明先是通过在栅极旁边设置纳米天线，增强局部电场，然后又通过在栅极上增加突起结构，与纳米天线形成尖对尖结构，进一步增强电场效果。
[0010]进一步，栅极上的突起长度范围为100nm-300nm，宽度为lOOnm。
[0011]进一步，氮化镓高电子迀移率晶体管和纳米天线集成于氮化镓二维电子气基外延片上。外延片上具有硅衬底层、缓冲层、氮化镓沟道层及铝镓氮层。源极和漏极通过金属Ti/Al/Ni/Au与氮化镓形成欧姆接触而与氮化镓沟道相连接。纳米天线采用金属Ti/Au制成。
[0012]上述室温太赫兹探测器的制备方法包括以下步骤:
[0013](I)利用有机金属化学气相沉积法完成二维电子气基片的制备；
[0014](2)采用ICP刻蚀技术进行有源区隔离，产生二维电子气通道；
[0015](3)通过紫外光光刻技术、电子束沉积及金属剥离过程，在有源区制备出源极和漏极，然后进行高温退火使源极和漏极形成欧姆接触；
[0016](4)使用PMMA作为光刻胶，经过甩胶、烘干、电子束曝光、金属化沉积和剥离技术制作出栅极和纳米天线；
[0017](5)对器件进行封装，完成室温太赫兹探测器的制备。
[0018]本发明通过采用独特纳米天线结构，并结合特殊的栅极结构，能够有效提高探测器对太赫兹电磁波的耦合效率，实现对太赫兹电磁波的室温、高灵敏和低等效噪声功率的探测。通过结合现有微电子制造技术，可使本发明探测器高度集成与CMOS集成电路中，从而实现太赫兹成像阵列及太赫兹相机等复杂设备。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例的俯视图；
[0020]图2是图1的内部剖视结构示意图；
[0021]图3是图1中A部分局部放大图；
[0022]图中，1、源极，2、栅极，3、漏极，4、纳米天线，5、帽层，6、铝镓氮层，7、分隔层，8、氮化镓沟道层，9、缓冲层，1、硅衬底层，11、矩形突起。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0024]—种基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，如图1、2所示，包括一氮化镓高电子迀移率晶体管和一纳米天线4，两者集成设置在氮化镓二维电子气基外延片上。如图2所示，该外延片从下到上依次为硅衬底层10、缓冲层9、氮化镓沟道层8、分隔层7、铝镓氮层6和帽层5。源极I和漏极3通过金属Ti/Al/Ni/Au与氮化镓形成欧姆接触而与氮化镓沟道相连接。栅极2位于源极和漏极之间的二维电子气沟道上方，纳米天线4位于源极I和漏极3之间，仅在栅极2—侧设置，与栅极之间有一定间隔。纳米天线4采用金属Ti/Au制成，采用矩形偶极子天线，纳米天线长lOOOnm、宽lOOnm，彼此之间间隔lOOOnm。栅极在与纳米天线相邻的一侧设有矩形突起11，矩形突起长250nm、宽100nm，各矩形突起之间间隔lOOOnm，矩形突起11外边缘与纳米天线4内边缘相距200nm，矩形突起11并排设置构成突起阵列，突起阵列与纳米天线呈尖对尖结构，用于增强太赫兹电场。
[0025]上述室温太赫兹探测器的制备过程如下:
[0026](I)利用有机金属化学气相沉积法完成二维电子气基片的制备。
[0027](2)采用ICP刻蚀技术(感应耦合等离子体刻蚀技术)进行有源区隔离，产生二维电子气通道。
[0028](3)通过紫外光光刻技术、电子束沉积及金属剥离过程，在有源区制备出源极和漏极，然后进行高温退火使源极和漏极形成欧姆接触。
[0029](4)使用PMMA作为光刻胶，经过甩胶、烘干、电子束曝光、金属化沉积和剥离技术制作出栅极和纳米天线。
[0030](5)对器件进行封装，完成室温太赫兹探测器的制备。
[0031]工作时在高电子迀移率晶体管栅极上加偏置电压至阈值电压附近，太赫兹信号通过纳米天线耦合到二维电子气通道，通过过阻尼等离子体共振的非线性过程将交流信号整流为直流信号，然后从漏极读出信号，从而实现太赫兹信号探测。在沟道处集成纳米尖对尖天线结构，以有效增强太赫兹波电场。探测器能在太赫兹波照射下产生光电压(或光电流)，从而实现高速、高灵敏、低噪声室温太赫兹的探测。此外，氮化镓具有良好的高温稳定性，实验结果表明本发明可以在200摄氏度的高温下工作，有效进行太赫兹探测。
【主权项】
1.一种基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，包括氮化镓高电子迀移率晶体管，氮化镓高电子迀移率晶体管设有源极(1)、栅极(2)和漏极(3)，其特征在于:还包括一纳米天线(4)，纳米天线(4)位于氮化镓高电子迀移率晶体管的源极(I)和漏极(3)之间、栅极(2)—侧且与栅极之间间隔一定距离;栅极在与纳米天线相邻的一侧设有与纳米天线相对应形状和间隔的突起阵列，突起阵列与纳米天线构成尖对尖结构，用于增强太赫兹电场。2.根据权利要求1所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:所述的纳米天线(4)采用矩形偶极子天线。3.根据权利要求2所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:纳米天线(4)长度范围为lOOnm-lOOOnm，宽度为lOOnm，间距为lOOnm-lOOOnm。4.根据权利要求1所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:所述的纳米天线(4)采用三角形天线。5.根据权利要求4所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:所述的纳米天线(4)长度为10nm-1OOOnm，尖端角度范围为30°-60°。6.根据权利要求1所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:所述的纳米天线与栅极上的突起之间相隔50nm-300nmo7.根据权利要求3所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:栅极上的突起长度范围为100nm-300nm，宽度为10nm08.根据权利要求1至7任一项所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器，其特征在于:氮化镓高电子迀移率晶体管和纳米天线集成于氮化镓二维电子气基外延片上。9.根据权利要求8所述的基于氮化镓高电子迀移率晶体管的室温太赫兹探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)利用有机金属化学气相沉积法完成二维电子气基片的制备； (2)采用ICP刻蚀技术进行有源区隔离，产生二维电子气通道； (3)通过紫外光光刻技术、电子束沉积及金属剥离过程，在有源区制备出源极和漏极，然后进行高温退火使源极和漏极形成欧姆接触； (4)使用PMMA作为光刻胶，经过甩胶、烘干、电子束曝光、金属化沉积和剥离技术制作出栅极和纳米天线； (5)对器件进行封装，完成室温太赫兹探测器的制备。
【专利摘要】本发明涉及太赫兹信号探测领域，尤其涉及一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管的室温太赫兹探测器及其制备方法。该探测器包括氮化镓高电子迁移率晶体管，氮化镓高电子迁移率晶体管设有源极、栅极和漏极，还包括一纳米天线，纳米天线位于氮化镓高电子迁移率晶体管的源极和漏极之间、栅极一侧且与栅极之间间隔一定距离；栅极在与纳米天线相邻的一侧设有与纳米天线相对应形状和间隔的突起阵列，突起阵列与纳米天线构成尖对尖结构，用于增强太赫兹电场。本发明通过采用独特纳米天线结构，并结合特殊的栅极结构，能够有效提高探测器对太赫兹电磁波的耦合效率，实现对太赫兹电磁波的室温、高灵敏和低等效噪声功率的探测。
【IPC分类】H01L31/02, H01L31/112, H01L31/18, H01L31/0224
【公开号】CN105590986
【申请号】CN201610149334
【发明人】侯皓文
【申请人】侯皓文
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2016年3月16日