CN102054891A - 室温太赫兹波探测器 - Google Patents

室温太赫兹波探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN102054891A
CN102054891A CN 201010505505 CN201010505505A CN102054891A CN 102054891 A CN102054891 A CN 102054891A CN 201010505505 CN201010505505 CN 201010505505 CN 201010505505 A CN201010505505 A CN 201010505505A CN 102054891 A CN102054891 A CN 102054891A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electron mobility
antenna
high electron
terahertz wave
wave detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 201010505505
Other languages
English (en)
Other versions
CN102054891B (zh
Inventor
孙建东
孙云飞
曾春红
秦华
张宝顺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201010505505A priority Critical patent/CN102054891B/zh
Publication of CN102054891A publication Critical patent/CN102054891A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102054891B publication Critical patent/CN102054891B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

本发明涉及一种室温太赫兹波探测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，且还包括能够有效耦合太赫兹波的天线，天线与高电子迁移率晶体管集成设置，但与高电子迁移率晶体管的源极和漏极彼此独立。进一步的讲，前述源极和漏极之间设有一对蝶形天线，以在电子沟道内产生横向太赫兹电场，而高电子迁移率晶体管的栅极连接在一蝶形天线上，以在电子沟道内产生纵向太赫兹电场。本发明能够有效加强高电子迁移率晶体管栅极对二维等离子体波的调控，实现对太赫兹波的高速、高效、高灵敏度和低噪声探测；同时，本发明能在室温下工作，可显著拓展太赫兹波的应用范围，并节省应用成本；又及，本发明可采用现有半导体微加工技术制造，器件结构微型化，集成度高。

Description

室温太赫兹波探测器
技术领域
本发明特别涉及半导体太赫兹光电技术领域的一种太赫兹波探测器，其可在室温下实现太赫兹波的灵敏探测。
背景技术
太赫兹波(THz)是频率为0.3THz-30THz(波长约为10μm-1mm，光子能量约为1.2meV-120meV)的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。与传统光源相比，太赫兹波辐射源具有相干、低能、穿透力强等独特、优异的特性，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及有机分子检测、无损成像、分子电子学、新材料研究和雷达通讯方面有重要的应用前景。然而现有商用的太赫兹探测器或是灵敏度低，或是探测频率窄，或是反应速度慢，或是体积庞大、需要低温工作、价格昂贵，或是制备工艺复杂等缺点。因此，研究人员长久以来一直渴望发展出一种较成熟的灵敏度高，探测频率宽，体积小，高速，廉价，室温工作的商用太赫兹探测器，以大幅推动THz技术的发展和应用。1993年，Dyakonov和Shur从理论上预言了高电子迁移率晶体管(HEMT)能用于太赫兹波探测(参考M.Dyakonov and M.S.Shur，Phys.Rev.Lett.Vol 71，p2465(1993)。于1998年由Jian-Qiang Lü和Shur等人制备出全球首个基于高电子迁移率晶体管的太赫兹波探测器(参考Jian-Qiang Lü；M.S.Shur，J.L.Hesler，L.Sun，and R.Weikle，IEEE Electron Device Lett.Vol 19，p 373(1998))，是一个基于AlGaAs/GaAs的二维电子气的高电子迁移率晶体管，器件的源极和栅极间距为100纳米，这样由栅极产生的信号能很快被源极接受，栅场也为100纳米，用于形成二维电子气的谐振腔，随后有多个实验室制备出了类似的太赫兹波探测器。但是这一类探测器需要非常精确的微加工技术，加工难度大，器件成功率低，并且需要在低温下工作。要实现该类探测器的应用，灵敏度(一般为100V/W)还需一步提高，等效噪声功率(100nW/Hz1/2)还有待一步降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种室温太赫兹波探测器，以克服现有高电子迁移率太赫兹波探测器加工困难，灵敏度低，等效噪声功率高等不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种室温太赫兹波探测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，其特征在于，所述探测器还包括能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与高电子迁移率晶体管集成设置，但与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立。
进一步地讲，所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极之间设有一对蝶形天线，用于在电子沟道内产生横向的太赫兹电场。
所述高电子迁移率晶体管的栅极连接在一个蝶形天线上，用于在电子沟道内产生纵向的太赫兹电场。
所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极相对于栅极是非对称设置的。
所述高电子迁移率晶体管的栅极为两个以上。
所述高电子迁移率晶体管和天线集成设置于一二维电子气基片的衬底外延片上。
所述二维电子气基片包括由上到下依次层叠的衬底外延片、隔离层、衬底层和基底，所述高电子迁移率场效应管的源极、漏极和栅极以及天线设置在形成于衬底外延片上的台面上，且该源极和漏极通过设置在衬底层中的二维电子气通道连接。
本发明以高电子迁移率场效应管为基本结构，与完全独立于源极和栅极的新型蝶形天线相集成，使太赫兹探测器具有极高的探测灵敏度。这种源极、漏极和天线分离的体系，使得天线增强的电场不会通过源极和栅极的引线被削弱，源极和栅极的引线电极的非太赫兹波信号不会通过引线进入到沟道，可以避免信号间的相互串扰，能有效降低器件噪声，同时还可以有效克服源极和漏极由于欧姆接触退火造成表面不平整对天线增强效率的影响。另外，由于天线不依赖于源极和漏极，还能使天线间距变得更小，结构更为紧凑，即，由库伦定理可知，电场强度同距离的二次方成反比，当天线间距缩小到纳米级时，天线增强的太赫兹波电场强度将近一步提高。
优选的，在上述结构设计的基础上，本发明还采用多栅极结构，使得栅极能够更有效的调节沟道二维电子气浓度，激发等离子体波，并给予合适的边界条件，能够实现等离子波的定向传播，从而实现太赫兹波探测器的高效、高速、高灵敏、低噪声的室温探测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该室温太赫兹波探测器通过采用独立于源极和漏极的蝶形天线结构，并结合非对称栅极和多栅极结构设计，能够有效提高栅极对二维等离子体波的调控，实现对太赫兹波的高速、高效、高灵敏和低噪声探测，同时，该室温太赫兹波探测器能在室温下工作，可显著拓展太赫兹波的应用范围，并节省应用成本。此外，通过结合现有半导体微加工制造技术，可使本发明器件结构更小型化，有利于太赫兹系统的高效集成。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种室温太赫兹波探测器的俯视图；
图2为图1所示室温太赫兹波探测器的剖面结构示意图；
以上各图中所示各标记的含义为：
1-源极，2-漏极，3-栅极，4-天线，5-隔离层，6-二维电子气通道，7-衬底层，8-基底，9-台面。
具体实施方式
本发明是通过高电子迁移率场效应晶体管的栅极对二维电子气的有效调控来实现太赫兹波的探测，并在沟道处集成独立于源极和漏极的蝶形天线结构，以有效增强太赫兹波电场。探测器能在太赫兹波照射下能产生光电流，或是开路电压，独立于源极和漏极的天线能有效提高灵敏度，进而实现高速、高效、高灵敏、低噪声室温探测。
以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1～2所示，该室温太赫兹波探测器主要由高电子迁移率晶体管和一对蝶形太赫兹天线4组成，其集成设置在一二维电子气基片的衬底外延片上，该衬底外延片由现有半导体技术工艺制备而成。前述蝶形天线设置在源极和漏极之间，并完全独立于源极和漏极，用于在电子沟道内产生横向的太赫兹电场。前述高电子迁移率晶体管的栅极连接在一个蝶形天线上，用于在电子沟道内产生纵向的太赫兹电场。同时，前述栅极可为多个，且前述源极和漏极相对于栅极是非对称设置的。
该室温太赫兹波探测器的制备过程如下：首先通过半导体干法刻蚀技术，在衬底外延片上形成有源区(台面)，并留下一个导电的二维电子气通道6，然后通过微加工技术，在台面上制备出源极1、漏极2和栅极3，其中源极1和漏极2经过高温退火与二维电子气形成欧姆接触，栅极3是肖特基接触，通过调节栅压可有效调控二维电子气浓度，在做成栅极的同时，也可以通过微加工技术制备出天线4。
更进一步的讲，本发明的制作工艺包括如下具体步骤：
(1)利用成熟的半导体加工技术完成二维电子气基片的制备；
(2)采用紫外光刻和等离子体刻蚀等技术完成台面隔离，留下二维电子气导电通道，制备出有源区；
(3)通过紫外光刻、电子束蒸发、金属剥离等技术制备出源极和漏极；再经过高温退火使得源极和漏极形成欧姆接触；
(4)通过紫外光刻或电子束曝光、电子束蒸发、金属剥离等技术制备出栅极和天线结构；
(5)由现有成熟的半导体分装技术，对器件进行封装，从而制备完成该室温太赫兹波探测器。
综上所述，本发明通过对高电子迁移率场效应管的特殊的栅极设计能实现太赫兹的探测，再由独立于源极和漏极的合适尺寸的太赫兹天线结构，有效增强太赫兹电场的增强，从而真正实现高速、高效、高灵敏、低噪声、廉价的室温探测器的制备，这必将为太赫兹的应用开辟出一片更加广阔的空间。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种室温太赫兹波探测器，以高电子迁移率晶体管为基本结构，其特征在于，所述探测器还包括能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与高电子迁移率晶体管集成设置，但与高电子迁移率晶体管的源极和漏极完全独立。
2.根据权利要求1所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极之间设有一对蝶形天线，用于在电子沟道内产生横向的太赫兹电场。
3.根据权利要求1所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的栅极连接在一蝶形天线上，用于在电子沟道内产生纵向的太赫兹电场。
4.根据权利要求1所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的源极和漏极相对于栅极是非对称设置的。
5.根据权利要求4所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的栅极为两个以上。
6.根据权利要求1或2所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管和天线集成设置于一二维电子气基片的衬底外延片上。
7.根据权利要求6所述的室温太赫兹波探测器，其特征在于：所述二维电子气基片包括由上到下依次层叠的衬底外延片、隔离层、衬底层和基底，所述高电子迁移率场效应管的源极、漏极和栅极以及天线设置在形成于衬底外延片上的台面上，且该源极和漏极通过设置在衬底层中的二维电子气通道连接。
CN201010505505A 2010-10-13 2010-10-13 室温太赫兹波探测器 Active CN102054891B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010505505A CN102054891B (zh) 2010-10-13 2010-10-13 室温太赫兹波探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010505505A CN102054891B (zh) 2010-10-13 2010-10-13 室温太赫兹波探测器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102054891A true CN102054891A (zh) 2011-05-11
CN102054891B CN102054891B (zh) 2012-10-10

Family

ID=43959041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010505505A Active CN102054891B (zh) 2010-10-13 2010-10-13 室温太赫兹波探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102054891B (zh)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102593235A (zh) * 2012-03-19 2012-07-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 微波太赫兹波探测器及其制备方法
CN104091837A (zh) * 2014-06-13 2014-10-08 南京大学 一种基于光学天线的太赫兹探测器
CN104241401A (zh) * 2014-09-09 2014-12-24 华中科技大学 基于超材料的肖特基型太赫兹多谱信号探测器和制备方法
CN104296879A (zh) * 2014-08-27 2015-01-21 电子科技大学 一种太赫兹单元探测器
CN104422517A (zh) * 2013-09-11 2015-03-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太赫兹波频谱检测器
CN104596641A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 中国科学院半导体研究所 太赫兹波探测器
CN105204190A (zh) * 2014-06-10 2015-12-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种基于低维电子等离子体波的太赫兹调制器及其制造方法
CN105449030A (zh) * 2015-12-29 2016-03-30 南京大学 一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器
CN105590986A (zh) * 2016-03-16 2016-05-18 侯皓文 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
CN106257692A (zh) * 2016-07-29 2016-12-28 东南大学 一种偏振敏感型光电探测器
CN106328754A (zh) * 2015-07-03 2017-01-11 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种组合式太赫兹波探测器
CN108428764A (zh) * 2018-01-30 2018-08-21 中国科学院上海技术物理研究所 一种GaAs基LFET太赫兹红外光探测器和制备方法
CN112531071A (zh) * 2020-12-18 2021-03-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于薄势垒材料的太赫兹场效应探测器及其设计方法
CN112670371A (zh) * 2020-12-25 2021-04-16 中国科学院半导体研究所 侧栅晶体管太赫兹探测器及其制备方法
CN113823703A (zh) * 2021-11-24 2021-12-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法
CN116404396A (zh) * 2023-05-23 2023-07-07 苏州科技大学 一种用于太赫兹探测器的天线组件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1558569A (zh) * 2004-01-16 2004-12-29 北京航空航天大学 背馈式矩形微带天线与前级低噪声放大器中间无匹配电路的有源集成天线
JP2007035898A (ja) * 2005-07-27 2007-02-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Ｕｗｂ送信機
US20070205433A1 (en) * 2001-07-24 2007-09-06 Cree, Inc. Insulating gate AlGaN/GaN HEMTs
JP2007273595A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Denso Corp 半導体装置の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070205433A1 (en) * 2001-07-24 2007-09-06 Cree, Inc. Insulating gate AlGaN/GaN HEMTs
CN1558569A (zh) * 2004-01-16 2004-12-29 北京航空航天大学 背馈式矩形微带天线与前级低噪声放大器中间无匹配电路的有源集成天线
JP2007035898A (ja) * 2005-07-27 2007-02-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Ｕｗｂ送信機
JP2007273595A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Denso Corp 半導体装置の製造方法

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102593235A (zh) * 2012-03-19 2012-07-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 微波太赫兹波探测器及其制备方法
CN104422517B (zh) * 2013-09-11 2017-01-04 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太赫兹波频谱检测器
CN104422517A (zh) * 2013-09-11 2015-03-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太赫兹波频谱检测器
CN105204190A (zh) * 2014-06-10 2015-12-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种基于低维电子等离子体波的太赫兹调制器及其制造方法
WO2015188608A1 (zh) * 2014-06-13 2015-12-17 南京大学 基于光学天线的太赫兹探测器
CN104091837A (zh) * 2014-06-13 2014-10-08 南京大学 一种基于光学天线的太赫兹探测器
CN104296879A (zh) * 2014-08-27 2015-01-21 电子科技大学 一种太赫兹单元探测器
CN104241401A (zh) * 2014-09-09 2014-12-24 华中科技大学 基于超材料的肖特基型太赫兹多谱信号探测器和制备方法
CN104596641A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 中国科学院半导体研究所 太赫兹波探测器
CN104596641B (zh) * 2015-01-21 2017-03-08 中国科学院半导体研究所 太赫兹波探测器
CN106328754B (zh) * 2015-07-03 2018-08-10 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种组合式太赫兹波探测器
CN106328754A (zh) * 2015-07-03 2017-01-11 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种组合式太赫兹波探测器
CN105449030A (zh) * 2015-12-29 2016-03-30 南京大学 一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器
CN105590986A (zh) * 2016-03-16 2016-05-18 侯皓文 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
CN106257692A (zh) * 2016-07-29 2016-12-28 东南大学 一种偏振敏感型光电探测器
CN108428764A (zh) * 2018-01-30 2018-08-21 中国科学院上海技术物理研究所 一种GaAs基LFET太赫兹红外光探测器和制备方法
CN112531071A (zh) * 2020-12-18 2021-03-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于薄势垒材料的太赫兹场效应探测器及其设计方法
CN112670371A (zh) * 2020-12-25 2021-04-16 中国科学院半导体研究所 侧栅晶体管太赫兹探测器及其制备方法
CN113823703A (zh) * 2021-11-24 2021-12-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法
CN113823703B (zh) * 2021-11-24 2022-03-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 室温碲化铂阵列太赫兹探测器及其制备方法
CN116404396A (zh) * 2023-05-23 2023-07-07 苏州科技大学 一种用于太赫兹探测器的天线组件
CN116404396B (zh) * 2023-05-23 2024-04-30 苏州科技大学 一种用于太赫兹探测器的天线组件

Also Published As

Publication number Publication date
CN102054891B (zh) 2012-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102054891B (zh) 室温太赫兹波探测器
CN102445711B (zh) 一种太赫兹波探测器
Wu et al. In situ fabrication of PdSe2/GaN Schottky junction for polarization-sensitive ultraviolet photodetection with high dichroic ratio
Gu et al. Far-field wireless power harvesting: Nonlinear modeling, rectenna design, and emerging applications
TWI495195B (zh) 太陽能光電轉換裝置
US7964932B2 (en) Semiconductor device with depletion region
CN104916732A (zh) 石墨烯太赫兹波探测器及其制作方法
CN103178150B (zh) 天线耦合太赫兹探测器
CN107144985B (zh) 一种网状错位分布的hemt阵列电控太赫兹波调制器
CN104091837A (zh) 一种基于光学天线的太赫兹探测器
Jeong et al. High-performance photoconductivity and electrical transport of ZnO/ZnS core/shell nanowires for multifunctional nanodevice applications
CN108061981A (zh) 太赫兹调制器及其制备方法
Rim et al. Boosting Responsivity of Organic–Metal Oxynitride Hybrid Heterointerface Phototransistor
Yan et al. A spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si pin junction featuring enhanced self-powered solar-blind sensing via balancing absorption of photons and separation of photogenerated carriers
CN102593235B (zh) 微波太赫兹波探测器及其制备方法
CN106024931A (zh) InAs/GaSb超晶格光子晶体红外探测器及其制备方法
CN203760501U (zh) GaN基等离子激元探测器
CN104422517A (zh) 太赫兹波频谱检测器
Baccouch et al. Patch Antenna based on a Photovoltaic Cell with a Dual resonance Frequency
CN215418202U (zh) 一种室温双通道可调控的太赫兹探测器
Ali et al. Photovoltaic cell with built-in antenna for internet of things applications
CN103325796A (zh) 天线集成石墨烯pin结太赫兹探测器
CN103208555A (zh) 紫外选择性硅雪崩光电探测芯片
CN105449030A (zh) 一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器
CN115632083A (zh) 太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant