基于栅极肖特基接触的GaNHEMT太赫兹探测器

本发明涉及基于栅极肖特基接触的gan hemt太赫兹探测器。具体指利用gan/algan异质接触过程中，电子从宽禁带半导体algan流向窄禁带半导体gan中，并在gan侧形成量子阱。异质结间较大的导带差会形成高的界面势垒，限制量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向上的移动。二维电子气中的电子远离杂质的库伦散射，具有超高的电子迁移率，为太赫兹低能光子的收集与探测提供了契机。本文优化了对数天线结构，增强了沟道处太赫兹光场的耦合强度。使用多层金属ni/au做肖特基接触省去了常规栅极需要长氧化层的步骤，具有低泄露电流、低电阻率、粘附性强等优势，为太赫兹探测器的性能提供了保障。总的来说，集成了对数天线与肖特基栅极的gan hemt太赫兹探测器具有工艺简单、功耗低、栅控性能优异等特点。可以实现室温下的高性能太赫兹探测。

背景技术：

1、太赫兹波(0.1-10thz)凭借其安全性好、瞬间带宽大、穿透性强等特点在无损探测、空间通讯、大气研究等领域大放异彩，太赫兹技术也因此被誉为“改变未来的十大技术之一”。作为太赫兹技术的“眼睛”——太赫兹探测器承担着实现光电转化的重要作用。其中光敏材料则起到了“视网膜”的作用，直接影响着探测器光电转换性能。现阶段的研究成果预示着以ingaas、hgcdte为代表的传统的光敏材料已经无法满足太赫兹探测器在室温下高灵敏度、快速响应、阵列集成等方面的需求。因此，在光敏材料的选择、制备工艺的优化等方面仍有较大的研究空间。

2、高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,hemt)是一种异质结场效应晶体管，也称为调制掺杂场效应晶体管或二维电子气场效应晶体管。以gan hemt为例，宽禁带algan与窄禁带gan构成了异质结，为了达到热平衡，电子从algan流向gan，此时由于导带不连续，在异质界面形成量子阱，使得电子的运动被束缚在一个二维平面内。势阱中的电子不会受电离杂质散射的影响，实现了高载流子浓度和高载流子迁移率的双赢。在场效应自混频太赫兹探测理论中，场效应晶体管在小偏压下的源漏电流为沟道电导与源漏电压之积。太赫兹天线将辐射耦合在沟道处，二维电子气感应出平行于沟道方向调控载流子漂移速度的横向电场和垂直于沟道方向控制载流子浓度的纵向电场。因此可以使用栅控的方法可实现太赫兹探测器响应的增强。

技术实现思路

1、本发明提出基于栅极肖特基接触的gan hemt太赫兹探测器。该探测器在对数天线高效耦合太赫兹辐射的有利条件下，通过源漏偏压和栅压控制沟道载流子漂移速度及浓度实现了探测器性能的增强。

2、所述探测器的结构自下而上为：蓝宝石衬底1、algan过渡层2、gan缓冲层3、aln间隔层4、algan势垒层5、gan帽层6、ti/al/ni/au欧姆接触7、ni/au肖特基接触8。所述蓝宝石衬底1厚度为650-700μm，algan过渡层2厚度为45-55nm，gan缓冲层3厚度为190-210nm，aln间隔层4厚度为0.5-1nm，algan势垒层5中al组分为25％，ga组分为75％，厚度为20-24nm，gan帽层6厚度为1-2nm。其中，欧姆接触7选用四层金属，自下而上(蒸镀顺序)依次为ti(15-25nm)、al(110-130nm)、ni(15-20nm)、au(90-110nm)。肖特基接触8选用两层金属，自下而上(蒸镀顺序)依次为ni(15-20nm)、au(110-130nm)。二维电子气9的电子迁移率为1700-1800cm2v-1s-1，电子密度1×1013-1.1×1013cm-2。天线结构为对数天线。

3、本发明指一种基于栅极肖特基接触的gan hemt太赫兹探测器，所述器件制备包括以下步骤：①台面刻蚀：首先使用紫外光刻技术用光刻胶保护台面部分，接着使用电感性等离子刻蚀的方法刻蚀非台面部分，刻蚀深度为50-70nm；②制作欧姆接触：采用紫外光刻技术制作欧姆接触点，而后使用热蒸发技术依次蒸镀ti、al、ni、au并剥离；③退火：对欧姆接触点进行时长28-32s，温度为835-845℃的快速退火处理。④制作肖特基接触：再次使用紫外光刻勾勒完整源漏栅图案，通过电子束蒸发技术依次蒸镀ni、au并剥离。⑤封装：将器件粘贴在pcb板上，通过超声引线工艺完成互连并封装。最后完成基于栅极肖特基接触的ganhemt太赫兹探测器。

4、本发明专利的优点在于：①使用gan hemt为材料，超高电子迁移率的二维电子气沟道为太赫兹低能光子吸收和探测提供了有利条件；②ni/au肖特基接触具有低泄露电流、低电阻率、好的粘附性等优势；③采用结构简单但沟道光场耦合强度很高的对数天线结构，有效增强了太赫兹辐射与二维电子气沟道的相互作用；④通过栅压实现了对二维电子气沟道载流子浓度的调控，增强了器件在太赫兹探测工作中的性能，具有室温工作、低功耗、栅控明显等特征。

技术特征：

1.一种基于栅极肖特基接触的gan hemt太赫兹探测器，包括蓝宝石衬底(1)、algan过渡层(2)、gan缓冲层(3)、aln间隔层(4)、algan势垒层(5)、gan帽层(6)、ti/al/ni/au欧姆接触(7)、ni/au肖特基接触(8)；其特征在于：

2.一种制备如权利要求1所述的基于栅极肖特基接触的gan hemt太赫兹探测器的方法，其特征在于步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种基于栅极肖特基接触的GaN HEMT太赫兹探测器。器件制备工艺主要包括：ICP刻蚀、紫外光刻、热蒸发、退火、电子束蒸发、剥离等。器件结构自下而上依次为：蓝宝石衬底、AlGaN过渡层、GaN缓冲层、AlN间隔层、AlGaN势垒层、GaN帽层。GaN/AlGaN异质界面的二维电子气具有超高的电子迁移率，且可与太赫兹波相互作用，产生等离子共振，增强对太赫兹辐射的吸收。此外，该器件集成了对数天线优异的场强耦合效果，并可以通过肖特基接触栅极实现器件开关与太赫兹响应的调控。本发明制作工艺简单、功耗低、栅控性能优异，可以实现室温下的高性能太赫兹探测。

技术研发人员：王林,王东,姚晨禹,姜梦杰,陈效双
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14