一种双异质结太赫兹探测器及其制作方法与流程

1.本发明涉及电子元件技术领域，特别涉及一种双异质结太赫兹探测器及其制作方法。


背景技术：

2.太赫兹波由于其独特的性质有着非常广阔的应用前景，太赫兹(thz)辐射是指频率在0.1到10thz之间的电磁波，具有如下几个独特特点：
3.a、光子能量小(1thz～4mev)；
4.b、对许多介质材料具有高透射性；
5.c、是多种生物化学分子的旋转和振动谱的特征频率带。
6.基于上述特性，使得它在光谱成像技术、生物医学领域、安全监测和质量控制、天文物理学领域有着广阔的应用前景。除了在光谱成像方面的潜在应用外，在未来通信领域太赫兹技术也将发挥重要作用，在未来十年内数据传输速率将会在5-10gb/s，这对通信所需的带宽要求较高，有可能取代无线局域网和蓝牙技术成为短距离无线通信的主流技术。
7.自由载流子集体振荡的等离子波太赫兹探测器目前是最为有效、性价比高且具有开发潜力的元器件之一。得益于纳米工艺技术的不断改进，高电子迁移率晶体管(hemt)器件的电子气工作频率可以达到太赫兹频率范围。1993年，dyakonov和shur在等离子体波放大理论中发现场效应晶体管(fet)的沟道可以作为等离子体波的谐振腔，证明了利用场效应晶体管沟道中的等离子体波可以对入射的交变信号整流，电位差与辐射信号强度成正比，即为太赫兹响应。gan hemt器件以来自身的高载流子浓度特性主要往更高频率方向发展，已经可以实现300ghz频率的太赫兹振荡，进一步器件性能的改善则依赖于新材料体系的研究和新器件结构的工艺优化。从那以后，一系列的高电子迁移率晶体管和硅基场效应管都观察到了非共振的室温高灵敏度场效应自混频太赫兹波检测器的检测。
8.以gan材料为代表iii-氮化物较强的极化能力、高热导率、高的工作温度和高的击穿电压，使得algan/gan异质结构在高功率器件和射频应用领域等有着广泛的应用潜力。gan基algan/gan异质结的hemt器件是一种新的器件结构。通常的研究研究都是为了提高其沟道中的电子迁移率以及电子气浓度。基于gan半导体材料的强极化能力，其二维电子气密度可以超过gaas基类似结构半导体材料电子气密度两个数量级以上，其功率密度远远超过了其他微波技术材料。algan和gan材料的导带不连续在0.3～0.5ev，高的电场导致器件产生电流坍塌现象。为了克服电流坍塌现象，通过器件结构中引入与gan材料晶格匹配的inaln势垒层，其中in组分在15％左右，满足高工作温度下器件热适配的条件。inaln/gan异质结构具有比algan/gan更强的极化能力，电子浓度得到大幅度提升，迁移率并能得到保证。传统algan/gan基器件由于本身内在电阻的影响，功率转换效率在高频下出现明显地衰减。为了降低gan基hemt器件本身的内在电阻影响，研发人员提出一种双沟道器件结构，由于两层沟道可以并行调制，器件功率效率可以在较大频率范围内维持较高水平，特别是inaln势垒双沟道器件的发展。不同材料其极化性质是不同的，ingan/gan异质结构具有反
向极化能力，其平面应力方向与algan/gan方向相反，材料晶格质量得到了很大的提升，体现在异质结构方面，其具有更高的高载流子浓度和更高的电子迁移率。结果表明通过极化控制的方式既可以降低工艺的难度，也可以降低器件制备的成本。
9.gan基的异质结构二维电子气的高电子迁移率晶体管被认为是应用潜力最好的高速电子器件之一。在gan基的hemt器件中，由于algan/gan异质结的材料费米能级的位置不同，导致异质结构的之间形成了电势差，从而使得电子将从费米能级相对较高的algan材料一侧转移到费米能级较低的gan一侧，导致沟道中的电子和施主电离杂质空间形成分离，离化的电子在异质结构的界面区域形成了二维电子气。在入射太赫兹辐射激发下，入射的太赫兹光与器件沟道中的电子集体振荡的等离子波频率一致时，发生耦合形成激发的等离子体共振吗，会有一个直流压降产生光响应，另外由于非线性过程，等离子体波的激发可以使得器件对入射辐射进行有效的太赫兹频率倍增产生高阶谐波，例如研发人员观察到了0.15微米栅极长度下hemt器件的等离子体波2.5thz共振光响应，并且通过调节栅极电压观察到了三次谐波共振现象。作为新一代的亚毫米波和太赫兹器件，高电子迁移率晶体管具有稳定性高、响应频段宽的特点，在微波和太赫兹光电增益以及效率等方面也表现出巨大的优势。由于其超高速、低噪声、低功耗等特点，目前已经应用于太赫兹成像演示、卫星通信、信号处理等诸多领域。最近十多年的发展过程中，高电子迁移率器件显示了优异的微波、毫米波和太赫兹特性，并且已经成为了微波混频器、振荡器等的核心部件。
10.gan基的异质结构二维电子气的高电子迁移率晶体管是应用前景最好的高速电子器件之一。除了上述的太赫兹探测材料结构外，一些新型的二维材料在太赫兹探测领域也取得了进展。像石墨烯与黑磷等二维材料等离子体波振荡也被用来实现太赫兹探测，一种使用黑磷的场效应晶体管在太赫兹波段实现高电流响应率，另外，石墨烯高迁移率晶体管已被证明可以实现高的电压响应率。进一步，基于电荷密度波的材料也实现了太赫兹探测，当外加偏压小于导致电荷密度波滑移的阈值时，如果外加光激发，则会导致电阻态的变化，相当于有一个巨大的光电响应效应，该效应在从紫外到太赫兹的宽广能量范围都都能满足光电响应探测。但是，由于新型二维材料和一些新材料结构的不稳定性，导致了器件在太赫兹波段的响应也不稳定，特别是难以满足大面积制备均匀的器件结构，达到满足实际应用的水平，还需要对这类太赫兹探测器结构开展性能优化和工艺稳定性的研发。


技术实现要素：

11.本发明要解决的技术问题在于太赫兹探测器结构的开展性能较低，针对现有技术的不足，提供一种双异质结太赫兹探测器及其制作方法。
12.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
13.一种双异质结太赫兹探测器，所述双异质结太赫兹探测器包括：
14.在蓝宝石衬底上依次是i-gan缓冲层和势垒层组，所述势垒层组与所述i-gan缓冲层形成2-deg通道，其中，所述势垒层组从下到上依次包括i-ingan层、i-gan沟道层、第一i-algan势垒层、n-doped algan势垒层、第二i-algan势垒层、sin绝缘层；
15.源极和漏极分别位于所述势垒层组的两端接触，并与所述2-deg通道形成欧姆接触；
16.栅极与所述n-doped algan势垒层形成肖特基接触。
17.所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述i-gan缓冲层的厚度为3um。
18.所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述i-ingan层的厚度为3nm，所述i-gan沟道层的厚度为6nm，所述第一i-algan势垒层为3nm，所述n-doped algan势垒层的厚度为15nm，所述第二i-algan势垒层的厚度为2nm。
19.所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述源极和所述漏极的金属电极为auge合金层/镍层/金层，其中，所述auge合金层的厚度为100nm，所述镍层的厚度为20nm，所述金层的厚度为300nm。
20.所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述太赫兹探测器的沟道长度为22um，宽度为8um。
21.所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述栅极包括钛层和金层，其中，钛层的厚度为20nm，金层的厚度为200nm。
22.一种制作双异质结太赫兹探测器的方法，包括：
23.采用分子束外延技术在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层和势垒层组，得到第一材料；
24.根据预设的尺寸，对所述第一材料进行切片，得到第二材料；
25.对所述第二材料进行刻道处理，得到具有沟道的第三材料；
26.对所述第三材料中对应所述源极、所述漏极和所述栅极对应的位置进行蚀刻，形成具有孔道的第四材料；
27.对所述孔道进行导电材料镀制，得到所述太赫兹探测器。
28.所述对所述第二材料进行刻道处理，得到具有沟道的第三材料包括：
29.对所述第三材料进行光刻，得到刻道的第四材料；
30.对所述刻道进行腐蚀，得到所述第五材料。
31.所述对所述刻道进行腐蚀，得到所述第五材料包括：
32.采用预设的腐蚀液所述刻道进行腐蚀，得到所述第五材料，其中，所述腐蚀液的配方为：h3po4:h2o2:h2o＝1:1:30。
33.一种太赫兹成像系统，所述太赫兹成像系统包括信号源、光学平台、控制系统和如上所述双异质结太赫兹探测器，其中，所述控制系统和所述双异质结太赫兹探测器通讯连接。
34.有益效果：在蓝宝石衬底上依次是i-gan缓冲层和势垒层组，所述势垒层组与所述i-gan缓冲层形成2-deg通道，其中，所述势垒层组从下到上依次包括i-ingan层、i-gan沟道层、第一i-algan势垒层、n-doped algan势垒层、第二i-algan势垒层、sin绝缘层；源极和漏极分别位于所述势垒层组的两端接触，并与所述2-deg通道形成欧姆接触；栅极与所述n-doped algan势垒层形成肖特基接触。上述器件采用在gan沟道层和缓冲层之间介入ingan材料，由于inn和gan对生长条件要求不同，ingan层通常生长温度较低。ingan/gan异质结构具有反向极化能力，基平面应力方向与algan/gan方向相反，虽然in组分提高会造成ingan材料的禁带变窄，但其强的极化能力可以使得势垒高度增加，进而可以增加载流子的束缚能力。同时，ingan层、i-gan的沟道层、第一i-algan异质结产生的高迁移率的2-deg作为导电沟道，具有很高的稳定性。
附图说明
35.图1为本发明提供的双异质结太赫兹探测器的结构示意图。
36.图2为本发明提供的双异质结太赫兹探测器的输出特性曲线。
37.图3为本发明提供的双异质结太赫兹探测器的单沟道(sc-hemt)和双沟道器件(dc-hemt)的吸收谱。
38.图4为本发明提供的双异质结太赫兹探测器在频率为1thz-16thz电磁波的照射下的响应信号受栅压的调制情况。
39.图1中的标注：
40.1，栅极；2，源极；3，漏极；4，sin绝缘层；5，第二i-algan势垒层；6，n-doped algan势垒层；7，第一i-algan势垒层；8，i-gan沟道层；9，i-ingan层；10，2-deg通道；11，i-gan缓冲层；12，蓝宝石衬底。
具体实施方式
41.本发明提供一种双异质结太赫兹探测器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
43.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
44.如图1所示，本实施提供了一种双异质结太赫兹探测器，双异质结太赫兹探测器包括：在蓝宝石衬底上依次是i-gan缓冲层和势垒层组，所述势垒层组与所述i-gan缓冲层形成2-deg通道，其中，所述势垒层组从下到上依次包括i-ingan层、i-gan沟道层、第一i-algan势垒层、n-doped algan势垒层、第二i-algan势垒层、sin绝缘层；源极和漏极分别位于所述势垒层组的两端接触，并与所述2-deg通道形成欧姆接触；栅极与所述n-doped algan势垒层形成肖特基接触。
45.在一个具体的实施方式中，所述i-gan缓冲层的厚度为3um，所述i-ingan层的厚度为3nm，所述i-gan沟道层的厚度为6nm，所述第一i-algan势垒层为3nm，所述n-doped algan势垒层的厚度为15nm，所述第二i-algan势垒层的厚度为2nm。
46.所述源极和所述漏极的金属电极为auge合金层/镍层/金层，其中，所述auge合金层的厚度为100nm，所述镍层的厚度为20nm，所述金层的厚度为300nm。所述太赫兹探测器的
沟道长度为22um，宽度为8um。所述栅极包括钛层和金层，其中，钛层的厚度为20nm，金层的厚度为200nm。如图3所示，本实施例双异质结的沟道为但沟道或双沟道都可实现稳定吸收。
47.由于掺杂的gan的费米能级与algan和ingan的费米能级的位置不同，电子将从费米能级相对较高的algan材料一侧转移到较低的gan和ingan材料一侧，使沟道中的电子和施主电离杂质空间分离，在沟道内形成二维电子气。如图2所示，当入射thz波将激发沟道内的二维电子气集体振荡，并可与thz波产生等离子共振，因为双异质结的存在能提高入射太赫兹波的光电耦合效率，增强了thz波的吸收，提高了thz波的光电转换效率，等离子体波的激发呈现非线性特性，可以使器件在太赫兹波段产生响应。
48.由于gan/algan，gan/ingan的材料稳定性相对于其他二维材料较高，因此所制备的hemt器件的太赫兹响应率也相对非常稳定；hemt器件结构为场效应晶体管结构，因此可以通过改变器件的栅极电压来调控沟道的2-deg的浓度，从而可以调控器件的电导率，进而对器件的太赫兹响应实现调控；由于器件在太赫兹波段的响应较稳定，因此可以实现器件在太赫兹波段的成像。
49.基于上述双异质结太赫兹探测器，本发明还提供一种双异质结太赫兹探测器的制作方法，该方法包括：
50.s10、采用分子束外延技术在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层和势垒层组，得到第一材料。
51.具体地，先采用分子束外延技术，在蓝宝石(sapphire)衬底上生长出i-gan缓冲层和势垒层组，所述势垒层组与所述i-gan缓冲层形成2-deg通道，其中，所述势垒层组从下到上依次包括i-ingan层、i-gan沟道层、第一i-algan势垒层、n-doped algan势垒层、第二i-algan势垒层、sin绝缘层。
52.s20、根据预设的尺寸，对所述第一材料进行切片，得到第二材料。
53.具体地，预先设定太赫兹探测器的尺寸，本实施例设定的尺寸为1*1cm2。根据该尺寸，对第一材料进行切片，得到第二材料。
54.为了保证第二材料的清洁，再对第二材料进行下一步处理之前，对第二材料可进行清洗。本实施例采用的清洗方法是将第二材料经过多次超声，每一次超声都依次在丙酮和异丙醇中进行，例如超声次数为2次，在每一个液体中超声的时间为5分钟。超声能够将切片产生的碎末与第二材料脱离。超声后用离子水洗去切片上的碎末、丙酮和异丙醇。清洗后将第二材料烘干。烘干的方式可采用氮气枪。
55.s30、对所述第二材料进行刻道处理，得到具有沟道的第三材料。
56.具体地，刻道是在第二材料上形成沟道，刻道处理的方式可包括光刻、化学腐蚀等方式。
57.本实施例提供一种刻道处理的方式，先采用光刻的方式在第二材料上形成浅道。该光刻方式可采用紫外光刻。
58.然后用预先配置好的腐蚀液对浅道进行腐蚀，得到沟道。本实施例中腐蚀液的配方为h3po4:h2o2:h2o＝1:1:30，腐蚀深度为80-130nm，最终得到具有沟道的第三材料。
59.为去除光刻产生的碎末和残留的腐蚀，得到第三材料后，进行下一步骤前，可对第三材料进行清洗，清洗方式可采用对第二材料清洗的相同方式。
60.s40、对所述第三材料中对应所述源极、所述漏极或所述栅极对应的位置进行蚀
刻，形成具有孔道的第四材料。
61.具体地，第三材料并不具备能够用于安放源极、栅极和漏极的位置，因此需要再对第三材料进行处理。为了保证精确度，本实施例采用光刻的方式对第三材料进行蚀刻，得到具有与源极、漏极和栅极对应位置的孔道。
62.s50、对所述孔道进行导电材料镀制，得到所述太赫兹探测器。
63.具体地，导电材料的镀制方式很多，本实施例以电子束蒸发的方式进行镀制。针对源极和漏极对应的孔道，蒸发镀制得到的源极或漏极包括auge合金层、镍层和金层，厚度分别为150nm、30nm和300nm。针对栅极对应的哦孔道，蒸发镀制得到的栅极包括钛层和金层，厚度分别为20nm和200nm。
64.在沉降之后，为了塑形，对源极、漏极和栅极进行液体剥离。值得注意的是，由于源极和漏极的材料相同，而栅极的材料与前两者不同，因此在对三者对应的位置进行蚀刻时，应当先对源极和漏极对应的位置进行蚀刻，然后采用源极和漏极对应的导电材料镀制，再对栅极对应的位置进行蚀刻，然后采用栅极对应的导电材料镀制，或者先栅极再源极、漏极，栅极与源极、漏极的蚀刻和材料镀制是分别进行的。本实施例以源极和漏极制备在前，栅极制备在后为例对过程进行描述。
65.先对源极和漏极对应的孔道进行导电材料的镀制，然后将未镀制的导电材料与源极和漏极进行分离，例如采用n-甲基-吡咯烷酮(nmp)剥离，将镀制好的器具放置在nmp剥离液中，水浴加热80红，源极和漏极自动与导电材料分离。
66.由于源极和漏极需要与2-deg通道形成欧姆接触，因此，在剥离后，本实施例可利用退火的方式巩固源极、漏极和2-deg通道的接触。例如采用快速退火炉进行退火，退火温度为400～500摄氏度之间，退火时间为25秒。在退火后，可对源极和漏极进行i-v测试，确认欧姆接触良好。
67.然后制备针对栅极的孔道，并采用栅极对应的导电材料镀制，再对制备的器具与导电材料进行剥离，得到上述双异质结太赫兹探测器。
68.本发明还提供一种太赫兹成像系统，太赫兹成像系统包括信号源、光学平台、控制系统和上述双异质结太赫兹探测器。在工作室，利用信号源照射目标物体，信号源发射的太赫兹光经过目标物体产生的透射太赫兹波进入双异质结太赫兹探测器，双异质结太赫兹探测器针对透射太赫兹波产生响应信号，并传输至控制系统。
69.光学系统可包括光阑、第一聚焦镜和第二聚焦镜，
70.通常太赫兹光经过光阑进行收集，然后利用第一聚焦镜对收集到的太赫兹光进行聚焦，聚焦的交点位于目标物体上，穿过目标物体后产生的透射太赫兹波进入位于目标物体另一侧的第二聚焦镜进行聚焦，聚焦后的透射太赫兹波进入双异质结太赫兹探测器，该探测器透射太赫兹波产生响应信号，并传输至控制系统。控制系统的处理程序读取响应信号，并在电脑屏幕上成像。
71.在传输响应信号过程中，控制系统包括放大器、数据采集卡等。经过放大器，响应信号的信号放大，放大器后连接数据采集卡，数据采集卡对信号进行解调放大后的采样和调制，即可得到与目标物体对应的太赫兹成像结果的幅度信息。
72.如图2和图4所示，周期性栅极电压调制下，双沟道或单沟道的双异质结太赫兹探测器都能产生响应信号。通过调解本实施例中的双异质结太赫兹检测器的栅极的电压，实
现整个太赫兹频率范围内宽可调共振，另外等离子体波相互作用可以形成较强的信号增强功能。本发明的双异质结太赫兹检测器具有较强的响应率且相对稳定，能够实现长时间的太赫兹数据采集，获得高质量太赫兹成像。
73.此外，控制系统还可与光学平台或信号源进行通讯连接，以控制信号的发射和光学平台中各个元件的相对位置。