一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器

技术领域

本发明涉及太赫兹探测领域，具体涉及一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹 探测器。

背景技术

太赫兹波段是介于微波毫米波与红外之间的电磁波段，其频率范围和波 长范围分别为0.1THz—10THz，3mm—30μm。此前，人们对太赫兹波段的 研究很少，该波段也一直被称为THz Gap。近年来，由于不断发现太赫兹波在 材料，通信，生物化学，安全检测，空间遥感等领域上的巨大应用潜力，使得 国内外的研究者对其研究热度大大提高。在太赫兹技术上，太赫兹探测技术是 太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一。由于太赫兹波的光子能量 很小以及大气对太赫兹波段的强烈吸收，使得目前太赫兹探测器的发展较为缓 慢。近年来，基于不同原理，使用不同探测材料制作的太赫兹探测器有了较大 的发展。

目前，太赫兹探测技术主要是有直接探测器和相干探测器两种，相干探测 器如肖特基二极管混频器SBD、超导体—绝缘体—超导体隧道混频器SIS、半 导体/超导体热电子bolometer混频器HEB虽然具有高的转换效率和低的噪声， 但是由于需要使用本地振荡源，使得其结构较为复制，并且它们多数需要工作 在深低温度。而现在一些常见的直接探测器如高莱探测器，热释电探测器虽然 可以工作在室温，但是其响应时间较慢，很难应用于太赫兹实时成像。

本发明充分考虑到了实际太赫兹探测器对于响应时间，工作温度，结构难 易，信噪比的要求，设计了一种基于电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，具 有响应时间短，室温工作，结构简单紧凑等优点，可对太赫兹信号进行直接探 测，并且通过改变探测器的结构尺寸还可以改变探测器所探测的中心波长范 围。该探测器基于电场增强效应，选用组分适当的铟镓砷材料，设计合理可行 的耦合天线结构，进行光刻，腐蚀，溅射等工艺制作，使用前置放大器进行放 大读出，从而实现对于太赫兹信号的探测。

发明内容

针对目前太赫兹相干探测器需要本地太赫兹振荡光源，深低温工作，结构 复杂，成本较高而直接探测响应时间较长，信噪比较低等缺点，本发明提出一 种基于电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，通过天线耦合显著提高了探测器 的探测灵敏度，该探测器便于大规模集成，使得多元探测成为可能。

本发明采用的技术方案为：

一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，其原理示意简图如附图一所 示，由磷化铟衬底1上依次生长磷化铟层2、In_xGa_1-xAs层3、右掺杂In_yGa_1-yAs 层4和左掺杂In_yGa_1-yAs层5、右掺杂In_zGa_1-zAs层6和左掺杂In_zGa_1-zAs层7、 正电极层8和负电极层9组成。通过光刻、腐蚀、套刻、溅射等工艺形成所需 探测器尺寸结构，右电极层8和左电极层9通过点焊金属导线与前放电路连接 来传递所探测信号。

磷化铟衬底层1是磷化铟InP材料，厚度为0.5—1.5mm。

磷化铟缓型层2是磷化铟材料，其作用是使后续材料生长更加匹配，减小 晶格失配率，其厚度为50-150nm。

铟镓砷In_xGa_1-xAs层3是铟镓砷In_xGa_1-xAs材料，其x值为0.537，厚度为 2000-3000nm，其作用是通过自由载流子来吸收太赫兹信号。

铟镓砷In_xGa_1-xAs层3通过金属有机化学气相沉积MOCVD或者是分子束 外延MBE方法生长在磷化铟缓型层2上。

右掺杂铟镓砷In_yGa_1-yAs层4和左掺杂铟镓砷In_yGa_1-yAs层5厚度为50— 150nm；掺杂浓度为2×10¹⁸—1×10¹⁹cm^-3，右掺杂铟镓砷In_zGa_1-zAs层6和左 掺杂铟镓砷In_zGa_1-zAs层7厚度为250—350nm；掺杂浓度为1×10¹⁹—8×10¹⁹cm^-3，y和z值都为0.526，掺杂元素都为硅Si。其作用是作为窗口层分别与右 电极层8和左电极层9形成欧姆接触。

右电极层8和左电极层9为溅射锡金合金，厚度为350—450nm。作用是 将探测器与前放电路连接起来，并且也用作耦合天线将太赫兹信号耦合至探测 器以提高太赫兹波的吸收效率。

右电极层8和左电极层9示意简图如附图二，在附图二对称结构中，正负 电极指向对称中心的四个顶点D与右掺杂In_zGa_1-zAs层6和左掺杂In_zGa_1-zAs 层7的边缘四个顶点重合且使其表面连接。与电极相关尺寸如下：D点距离探 测器左边或者右边的距离为m1等于三分之一中心台阶的宽度m，m的大小为 30—70um。探测器的尺寸m×n小于100×100μm²。正负电极尺寸为s×t，s的 大小为0.2—1.2mm当s和t中有一个距离取定值时，另一个距离为探测器所 探测波长的四分之一。

本发明具有如下优点：

1、探测器可在室温环境下工作，通过适当制冷还可提高探测器的性能。

2、天线耦合结构可提高探测器对太赫兹信号的耦合效率，提高探测器的 信噪比。

3、探测器结构简单紧凑，便于大规模集成，发展多元探测器件。

4、探测波段较宽，可达0.1-5THz。

5、探测灵敏度高，响应时间快。

附图说明

附图1为探测器原理示意简图。

附图2为对称电极示意简图。

附图中标号为：1为磷化铟衬底、2为磷化铟缓型层、3为铟镓砷In_xGa_1-xAs 层、4为铟镓砷右掺杂In_yGa_1-yAs窗口层、5为铟镓砷左掺杂In_yGa_1-yAs窗口层、 6为铟镓砷右掺杂In_zGa_1-zAs窗口层、7为铟镓砷左掺杂In_zGa_1-zAs窗口层、8 为右电极层，9为左电极层。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明进行进一步详述:

附图1为本探测器结构示意简图。太赫兹光子信号被In_xGa_1-xAs材料中的 自由载流子吸收以后，自由载流子被加热从而改变了产生—复合过程，使得载 流子浓度发生改变，引起铟镓砷In_xGa_1-xAs材料的电阻值发生变化，而在金属 和半导体介质的接触处，由于麦克斯韦方程的连续性使得界面两侧产生巨大的 电场差异，且由于电极耦合天线的作用进一步使得铟镓砷In_xGa_1-xAs材料对太 赫兹信号的吸收增强，通过金属导线将信号与前放电路连接，将铟镓砷 In_xGa_1-xAs材料电阻值的变化转换成电压变化信号而进行放大检出，从而可以 实现对太赫兹信号的探测。依照附图一结构，制作了三个实示例探测器：

实示例探测器1为0.5mm磷化铟衬底上依次生长厚度为50nm的磷化铟 缓型层，厚度为2000nm，x值为0.537的In_xGa_1-xAs层，厚度为50nm,y值为 0.526，掺杂硅浓度为2×10¹⁸cm^-3的右掺杂In_yGa_1-yAs层和左掺杂In_yGa^1-yAs层， 厚度为250nm,z值为0.526，掺杂硅浓度为1×10¹⁹cm^-3的右掺杂In_zGa_1-zAs层 和左掺杂In_zGa_1-zAs层,厚度为350nm的正电极层和左电极层。该器件电极尺 寸m值为30um,s值为1mm,t值为0.5mm。

实示例探测器2为1mm磷化铟衬底上依次生长厚度为100nm的磷化铟 缓型层，厚度为2500nm，x值为0.537的In_xGa_1-xAs层，厚度为100nm,y值 为0.526，掺杂硅浓度为6×10¹⁸cm^-3的右掺杂In_yGa_1-yAs层和左掺杂In_yGa_1-yAs 层，厚度为300nm,z值为0.526，掺杂硅浓度为4×10¹⁹cm^-3的右掺杂In_zGa_1-zAs 层和左掺杂In_zGa_1-zAs层,厚度为400nm的正电极层和左电极层。该器件电极 尺寸m值为50um,s值为0.5mm,t值为0.2mm。

实示例探测器3为1.5mm磷化铟衬底上依次生长厚度为150nm的磷化铟 缓型层，厚度为3000nm，x值为0.537的In_xGa_1-xAs层，厚度为150nm,y值 为0.526，掺杂硅浓度为1×10¹⁹cm^-3的右掺杂In_yGa_1-yAs层和左掺杂In_yGa_1-yAs 层，厚度为350nm,z值为0.526，掺杂硅浓度为8×10¹⁹cm^-3的右掺杂In_zGa_1-zAs 层和左掺杂In_zGa_1-zAs层,厚度为450nm的正电极层和左电极层。该器件电极 尺寸m值为70um,s值为0.2mm,t值为0.1mm。