专利名称：微波太赫兹波探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微波-太赫兹波光伏器件，尤其涉及一种可同时响应功率和频率的微波-太赫兹波探测器及其制造技术。
背景技术：
当前，国内外绝大部分用于连续太赫兹波信号探测的探测器，例如，侧热辐射计 (Bolometer)，高莱探测器(Golay Cell)，热释电探测器和肖特基二极管等，只对功率响应， 但太赫兹波技术的应用往往需要得到频谱信息，利用这类探测器进行频率探测一般是通过光谱分析或外差电路来实现的，它具有系统庞大、复杂和昂贵的缺点。虽然利用量子阱中子带跃迁的红外探测器可避免以上缺点，但必须在极低的温度下工作。而基于二维等离子体共振的短沟道场效应晶体管也面临着同样的问题。随着温度的升高，动量弛豫时间将迅速下降。这也就意味着只能探测较高的频率。中国专利CN201010505505所涉及的是基于对二维等离子体波的调控，来实现太赫兹波的光电导探测。另外，中国专利CN200810036127，CN200610025716和 CN200610025716所涉及的THZ探测器都是基于量子阱中子带跃迁来实现光伏或光导的探测。而以上几种THZ探测器都只能直接对功率响应。而要对频率直接响应的话，还必需建立复杂的光路系统。
发明内容
鉴于上述现有技术在太赫兹探测方面的的缺陷，本发明的目的是提供一种微波太赫兹波探测器及其制备方法，解决太赫兹波探测的功率和频率同时响应。本发明的上述第一个目的，微波太赫兹波探测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，所述高电子迁移率晶体管具有衬底、缓冲层、二维电子气通道、隔离层、掺杂层及盖帽层，其特征在于所述探测在有源区的台面设有背栅和至少一个长度介于Iym至Imm的条状结构，所述条状结构中设有呈凹型结构或带指状的正栅，条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极，且所述凹型结构凹处或指与电极的间距为O. 5 μ m至500 μ m，其中所述背栅刻蚀深度为直达衬底。进一步地,所述带指状的正栅为由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au复合成外露于条状结构宽度方向且呈片状的栅结构。所述凹型结构的凹处或指设于条形结构的中部或偏在一方。进一步地，所述有源区的台面设有两个以上串联共连的条状结构。进一步地，所述电极为方形电极、蝶形电极或对数螺旋形电极。进一步地，所述高电子迁移率晶体管为GaAs/AlGaAs异质结构，GaN/AlGaN异质结构或InGaAs/InAlAs异质结构中的一种，所述二维电子气通道中二维电子气浓度为 10 10cm 2 10 13cm 2。本发明的上述第二个目的，微波太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于包括步骤I、清洗高电子迁移率晶体管异质结构样品中相对衬底另一侧的表面，并对异质结构样品表面刻蚀形成有源区的台面，刻蚀深至衬底二维电子气通道；II、在有源区的台面上刻蚀形成至少一个长度介于I μ m至Imm的条状结构，并在条状结构上形成呈凹型结构或带指状的正栅；III、在条状结构的两端和衬底上采用光刻法制备源漏欧姆接触掩膜和正栅、背栅电极接触掩膜，并依次沉积导电金属薄膜Ni/Ge/Au/Ni或Ti/Al/Ni/Au，在N2气氛中退火合金化后进行剥离制成欧姆接触层；IV、将正栅、背栅与欧姆接触层对位套刻，并在欧姆接触区域表面蒸镀一层Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au的金属薄膜。进一步地，步骤II中所述凹型结构的凹处或指设于条形结构的中部或偏置一方。进一步地,步骤II中所述带指状的正栅为由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au复合成片状的栅结构，步骤IV中对位套刻后，在正栅区域和欧姆接触区域一起表面蒸镀一层金属薄膜，分别形成栅结构和电极，其中栅结构为外露于条状结构宽度方向且呈片状。进一步地，步骤II中采用反应离子刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀之一的方法刻蚀形成条状结构。应用本发明的技术方案，较之于传统制备工艺的显著优点为能够无需依赖任何光学元件辅助，即可实现对微波-太赫兹波辐射的功率响应和频率同时响应，为降低探测器系统复杂程度、减少成本提供了一种切实保障。
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具体实施例方式本发明揭示了一种微波太赫兹波探测器及其制备方法，为解决太赫兹波探测的功率与频率同时响应的提供了切实有效的途径。本发明的微波太赫兹波探测器以高电子迁移率晶体管为基本结构，该高电子迁移率晶体管为GaAs/AlGaAs异质结构，GaN/AlGaN异质结构或InGaAs/InAlAs异质结构中的一种，所述二维电子气通道中二维电子气浓度为KrltlCnT2 10_13cm_2。如图I所示，该高电子迁移率晶体管具有衬底6、缓冲层5、有源层4 (二维电子气通道)、隔离层3、掺杂层2、盖帽层I。该探测器在有源区的台面设有背栅41、42和至少一个长度介于I μ m至1_的条状结构，该条状结构中设有呈凹型结构或带指状的正栅，条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极，且凹型结构的凹处或正栅的指与电极的间距为O. 5 μ m至500 μ m，设于条形结构的中部或偏置一方。其中该背栅41、42刻蚀深度为直达衬底，正栅在盖帽层之上。上述技术方案还具有优选的方案，如图2所示，前述条状结构中的正栅可以是条状结构宽度减缩成的凹型结构31，也可以是设于条形结构上由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au复合成外露于条状结构宽度方向且呈片状的栅结构32 ;该凹型结构凹处或正栅的指可以位于条形结构的中部或偏置一方。该条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极21、22，该些电极可以是方形电极，蝶形电极或对数螺旋形电极。此外，图2所示的上述有源区的台面设有两个条状结构(也可以是两个以上)，作为共连结构形式，各条状结构顺次串联，进一步强化探测灵敏度。本发明通过调控二维电子气系统中特殊等离子体(即边缘磁等离子体)的光伏振荡效应来实现对微波-太赫兹波的探测。如图3所示，样品经过微波-太赫兹波辐照后，在低磁场下利用样品中边缘磁等离子体(类一维等离子体波)在不同的两个欧姆电极下造成的电场分布的非对称性和欧姆电极的非线性整流效应来实现光伏振荡，从而可以探测频率为MHz到几个THz的电磁波探测。同时，本发明也提供了一种微波太赫兹波探测器的制备方法，包括步骤I、清洗高电子迁移率晶体管异质结构样品中相对基底另一侧的表面，并对异质结构样品表面刻蚀形成有源区的台面，刻蚀深至二维电子气通道或衬底；II、在有源区的台面上刻蚀形成至少一个长度介于I μ m至Imm的条状结构，并在条状结构上设有呈凹型结构或带指状的正栅； III、在条状结构的两端和衬底上采用光刻法制备源漏欧姆接触掩膜和正、背栅电极接触掩膜，并依次沉积导电金属薄膜Ni/Ge/Au/Ni或Ti/Al/Ni/Au，在N2气氛中退火合金化后进行剥离制成欧姆接触层；IV、将正栅及背栅与欧姆接触层对位套刻，并在欧姆接触区域表面蒸镀一层由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au金属薄膜,易于引电极
作为优选方案，步骤II中制成的的正栅可以是条状结构宽度减缩成的凹型结构，也可以是设于条形结构上由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au复合成外露于条状结构宽度方向且呈片状的栅结构；该呈凹型结构凹处或正栅可以位于条形结构的中部或偏在一方。该条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极21、22，该些电极可以是方形电极，蝶形电极或对数螺旋形电极。步骤IV中对位套刻后，在正栅区域和欧姆接触区域一起表面蒸镀一层金属薄膜，分别形成栅结构和电极，其中栅结构为外露于条状结构宽度方向且呈片状。步骤II中采用反应离子刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀之一的方法刻蚀形成条状结构。应用本发明的技术方案，较之于传统制备工艺的显著优点为能够无需依赖任何光学元件辅助，即可实现对微波-太赫兹波辐射的功率响应和频率响应，为降低探测器系统复杂程度、减少成本提供了一种切实保障。如图4和图5所示，分别是本发明探测器的功率谱响应示意图和频率谱响应示意图。从图示可见，通过本发明方案设计、制成的探测器能较好地对所探测的对象作出功率频率响应。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.微波太赫兹波探测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，所述高电子迁移率晶体管具有衬底、缓冲层、二维电子气通道、隔离层、掺杂层及盖帽层，其特征在于所述探测在有源区的台面设有背栅和至少一个长度介于I μ m至Imm的条状结构，所述条状结构中设有呈凹型结构或带指状的正栅，条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极，且所述凹型结构凹处或指与电极的间距为O. 5 μ m至500 μ m，其中所述背栅刻蚀深度为直达衬底。
2.根据权利要求I所述的微波太赫兹波探测器，其特征在于带指状的正栅为由Ni/ Au、Ti/Au或Cr/Au复合成外露于条状结构宽度方向且呈片状的栅结构。
3.根据权利要求I所述的微波太赫兹波探测器，其特征在于所述凹型结构的凹处或指设于条形结构的中部或偏置一方。
4.根据权利要求I所述的微波太赫兹波探测器，其特征在于所述有源区的台面设有两个以上串联共连的条状结构。
5.根据权利要求I所述的微波太赫兹波探测器，其特征在于所述电极为方形电极、蝶形电极或对数螺旋形电极。
6.根据权利要求I所述的微波太赫兹波探测器，其特征在于所述高电子迁移率晶体管为GaAs/AlGaAs异质结构,GaN/AlGaN异质结构或InGaAs/InAlAs异质结构中的一种，所述二维电子气通道中二维电子气浓度为KrltlCnT2 10_13cm_2。
7.微波太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于包括步骤I、清洗高电子迁移率晶体管异质结构样品中相对衬底另一侧的表面，并对异质结构样品表面刻蚀形成有源区的台面，刻蚀深至衬底二维电子气通道；II、在有源区的台面上刻蚀形成至少一个长度介于Iμ m至Imm的条状结构，并在条状结构上形成呈凹型结构或带指状的正栅；III、在条状结构的两端和衬底上采用光刻法制备源漏欧姆接触掩膜和正栅、背栅电极接触掩膜，并依次沉积导电金属薄膜Ni/Ge/Au/Ni或Ti/Al/Ni/Au，在N2气氛中退火合金化后进行剥离制成欧姆接触层；IV、将正栅、背栅与欧姆接触层对位套刻，并在欧姆接触区域表面蒸镀一层Ni/Au、Ti/ Au或Cr/Au的金属薄膜。
8.根据权利要求7所述的微波太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于步骤II中所述凹型结构的凹处或指设于条形结构的中部或偏置一方。
9.根据权利要求7所述的微波太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于步骤II中所述带指状的正栅为由Ni/Au、Ti/Au或Cr/Au复合成片状的栅结构，步骤IV中对位套刻后，在正栅区域和欧姆接触区域一起表面蒸镀一层金属薄膜，分别形成栅结构和电极，其中栅结构为外露于条状结构宽度方向且呈片状。
10.根据权利要求7所述的微波太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于步骤II中采用反应离子刻蚀、电子回旋共振等离子体刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀之一的方法刻蚀形成条状结构。
全文摘要
本发明揭示了一种微波太赫兹波探测器及其制备方法，以高电子迁移率晶体管为基本结构，该探测器在有源区的台面设有背栅和至少一个长度介于1μm至1mm的条状结构，条状结构中设有呈凹型结构或带指状的正栅，条状结构的两端形成与二维电子气通道欧姆接触的电极，且凹型结构凹处或指与电极的间距为0.5μm至500μm，其中所述背栅刻蚀深度为直达衬底。并且本发明提出了完整而可行的该种探测器制备方法。应用本发明的技术方案，较之于传统的探测器系统的显著优点为能够无需依赖任何光学元件辅助，即可实现对微波-太赫兹波辐射的功率响应和频率响应，为降低探测器系统复杂程度、减少成本提供了一种切实保障。
文档编号H01L31/112GK102593235SQ20121007315
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者王亦, 蒋春萍 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所