CN102751385A - 太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法 - Google Patents

太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，包括：在高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层；将所述生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极；在所述形成阴极后的衬底上，利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀台面；将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极；将所述形成阳极后的衬底进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品。本发明提供的一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，可一次性大面积的制备上述磷化铟耿氏管的阵列，然后进行隔离，大大降低了成本。本方法制备工艺简单，成本低，具有很好的制备效率和工艺稳定性。此外，本方法有利于制备高频率高功率高稳定性的耿氏管。

Description

太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法
技术领域
本发明涉及太赫兹振荡源制造技术领域，具体涉及一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法。
背景技术
人们认识利用电磁波的频率范围在逐渐增大，对高频范围的波段的波研究日益深入，从而产生太赫兹技术和太赫兹专题项目的研究。太赫兹波段的电磁波可以被应用在天文、通信、航空、军事、成像、生物制药、化学成分等领域中，国际上对太赫兹的研究日益升温。目前，国际上已有一百多个研究组织在进行关于THz相关领域的研究，如美国国家基金会(NSF)、国家航天局（NASA）、国防部（DARPA）和国家卫生学会（NIH）,日本，澳大利亚，韩国和中国等，太赫兹技术被称为“十大改变未来的技术”之一。太赫兹波通常指频率为0.1THz-10THz的电磁波，也有人认为是0.3-3太赫兹(THz)。太赫兹波具有很强的穿透性，可以穿透非金属和非极性材料，如纺织品、塑料、纸板、木料等包装物，还能穿透烟雾和浮尘。大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围。太赫兹波能量低，不会引起生物组织的光离化，适合于生物医学成像。
太赫兹技术主要应用在成像、物质分析和通信三个方面。太赫兹成像技术分为主动成像和被动成像技术，主动成像需要一个太赫兹源发出特定频段的太赫兹波，接收反射波或者透射波通过电脑计算成像。主动成像可用于检查物质内部的缺陷，目前已在国外的某些航天材料检查和药品检测中做了一些的实验和应用。被动成像技术是接收空气中或者物体本身发出的太赫兹波并成像，目前大部分应用是利用主动成像技术。太赫兹在物质分析方面主要是利用太赫兹源发射一定的连续波，根据样品的化学成分和分子结构对太赫兹波的吸收率不同，从而呈现不同的谱线，通过和已有的太赫兹的光谱数据库相比较，分析物质的成分，目前已经在某些大学实验室和机场安检得到应用。在通信方面，08年奥运会曾使用过远程1千米以上的远距离信息传递，最大速度可达10Gbps。
目前耿氏管主要制备材料为砷化镓材料,砷化镓的耿氏管很难实现频率大于100GHz，且功率较低，影响在物质检测、成像领域的应用。n型磷化铟材料相比于n型衬底的砷化镓材料的输出频率、功率较高。磷化铟材料中的电子具有更高迁移率，从而以磷化铟材料衬底的耿氏管应该具有更高的效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能提高耿氏管的频率、功率和转化效率、降低生产成本的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法。
本发明提供的一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，包括：在高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层；
将所述生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极；
在所述形成阴极后的衬底上，利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀台面；
将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极；
将所述形成阳极后的衬底进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品。
进一步，所述在高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层包括：
利用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉淀技术在高掺硫的磷化铟衬底上生长掺杂的N型磷化铟作为缓冲层，厚度为1.2~1.8μm，浓度为1~1.5*10E18cm-3；
利用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉淀技术在所述缓冲层上面生长低掺杂的N型磷化铟作为作用层，厚度为1.5~2μm，浓度为0.75~1.1*10E16cm-3。
进一步，所述将所述生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极包括：
将所述生长磷化铟外延层后的衬底利用圆形光刻板，在外层光刻，形成圆形凹槽，然后蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，用于制备形成阴极所需的金属层；
将所述蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底上的光刻胶剥离后进行退火，形成阴极。
进一步，所述光刻胶通过丙酮剥离，所述退火温度为350℃-450℃。
进一步，所述利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀的台面呈圆柱形，直径为40-70μm。
进一步，所述利用湿法腐蚀时采用氯基溶液进行腐蚀，所述氯基溶液是HCl和H3PO4的混合溶液。
进一步，所述将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极包括：
将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底光刻形成圆环形凹槽，蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，用于制备形成阳极所需的金属层；
将所述蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底上的光刻胶剥离后进行退火，形成阳极。
进一步，所述圆环形凹槽在所述台面外围；
所述光刻胶通过丙酮剥离，所述退火温度为350℃-450℃。
进一步，所述生成阳极时的退火温度低于所述生成阴极时的退火温度30℃以上。
进一步，将所述形成阳极后的衬底进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品包括：
将所述形成阳极后的衬底的正面毡片，并用光刻胶进行正面保护；
将所述毡片后的衬底背面减薄、去蜡至3~10μm厚，然后电镀金处理获得成品。
本发明提供的一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，采用了n型衬底的磷化铟材料。相比于n型衬底的砷化镓材料，n型磷化铟材料的输出频率、功率较高。磷化铟材料中的电子具有更高迁移率，从而以磷化铟材料衬底的耿氏管应该具有更高的效率。其次，本发明采用高掺杂-低掺杂(n+n)结构，在阳极形成肖特基接触，存在一个小的势垒，能稳定耿氏管的电流，有效的保护了耿氏管。另外，本发明对工艺流程也进行了优化，实现了最后减薄，降低了InP材料在工艺中易碎的情况，减少了工艺步骤。由于以上的优点，这种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法可以很好的提高耿氏管的频率和稳定性并节约成本。综上所述，本发明特殊结构的磷化铟的耿氏管的制备方法，具有上述诸多的优点及实用价值，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，从而更加适于实用。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法流程图；
图2为使用图1所示方法生长外延层后的结构示意图；
图3为使用图1所示方法形成阴极后的结构示意图；
图4为使用图1所示方法形成阳极后的结构示意图；
图5为使用图1所示方法形成成品后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点描述的更清晰，以下结合具体的实施例及附图加以说明。
如图1所示，本发明提供的一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，包括以下步骤：
步骤S 1：在高掺杂的磷化铟(InP)衬底上生长磷化铟外延层。高掺杂的磷化铟也可以直接作为耿氏器件的阳极，有利于散热。
步骤S2：将生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极。
步骤S3：在形成阴极后的衬底上，利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀台面。通过腐蚀或刻蚀的台面呈圆柱形，直径为可以为40、50、60或70μm，结构如图3所示。当利用湿法腐蚀时采用氯基溶液进行腐蚀，氯基溶液为浓度为37.5%HCl：浓度为85.11%%的H3PO4的混合溶液。
步骤S4：将腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极。
步骤S5：将形成阳极后的样品片，通过涂光刻胶进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品。
其中，步骤S1在耿氏管高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层包括：
步骤S11：结构如图2所示，利用分子束外延技术（MBE）或金属有机化合物化学气相沉淀技术（MOCVD）在耿氏管高掺硫的磷化铟衬底1上生长掺杂的N型磷化铟作为缓冲层2。本发明实施例采用的是利用低压金属有机物化学蒸发沉积（LP-MOCVD）生长掺杂的N型磷化铟作为缓冲层2，缓冲层2的厚度为1.2~1.8μm左右，才能提高耿氏管的频率为100GHz左右，浓度为1~1.5*10E18cm-3；
步骤S12：结构如图2所示，利用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉淀技术在所述缓冲层2上面生长低掺杂的N型磷化铟作为作用层3。本发明实施例采用的是利用分子束外延技术生长低掺杂的N型磷化铟作为作用层3，作用层3的厚度为1.5~2μm左右，才能提高耿氏管的频率为100GHz左右，浓度为0.75~1.1*10E16cm-3左右。
步骤S2将生长磷化铟外延层的衬底1进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极包括：
步骤S21：结构如图3所示，将生长磷化铟外延层的衬底1利用圆形光刻板，在外层光刻，形成圆形凹槽，并使需要蒸发的区域暴露出来，同时保护了没有光刻胶的区域，然后蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，作为阴极电极的金属层4；
步骤S22：将蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底1，通过浸泡丙酮溶液，去除光刻胶，然后退火，形成圆形的阴极。退火温度为350℃-450℃为宜。
步骤S4将腐蚀或刻蚀台面后的衬底1进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极包括：
步骤S41：结构如图4所示，将腐蚀或刻蚀台面后的衬底光刻形成圆环形凹槽，蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，用于制备形成阳极所需的金属层5；本步骤的光刻形状为圆环形凹槽，设置在台面外围，其目的在于保护好台面，并隔离开阴极和阳极。
步骤S42：将蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底1上的光刻胶剥离后进行退火，形成阴极。光刻胶通过丙酮剥离，退火温度为350℃-450℃为宜。且生成阳极时的退火温度应低于所述生成阴极时的退火温度30℃以上。
步骤S5将形成阳极后的衬底1进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品包括：
步骤S51：结构如图5所示，将所述形成阳极后的衬底1的正面毡片，并通过涂光刻胶保护好正面所做的台面结构及电极，然后烘干；
步骤S52：将毡片后的衬底1背面减薄、去蜡至3~10μm厚，然后电镀金形成散热层7，从而获得成品。减薄有利于耿氏管的散热。
以下通过具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例一：
步骤10：在高掺杂的磷化铟衬底1上生长磷化铟外延层。首先利用低压金属有机物化学蒸发沉积（LP-MOCVD）生长掺杂的N型磷化铟作为缓冲层2，缓冲层2的厚度为1.2μm，浓度为1*10E18cm-3。然后利用分子束外延技术生长低掺杂的N型磷化铟作为作用层3，作用层3的厚度为1.5，浓度为0.75*10E16cm-3左右。
步骤20：将生长磷化铟外延层后的衬底1进行光刻定形、蒸发金属电极、去除光刻胶，然后退火形成阴极。光刻胶通过丙酮剥离，退火温度为380℃。
步骤30：在形成阴极后的衬底1上，利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀台面。如图3所示，通过腐蚀或刻蚀的台面呈圆柱形，直径为40μm，当利用湿法腐蚀时采用氯基溶液进行腐蚀，氯基溶液为37.5%HCl：H3PO4的混合溶液。
步骤40：将腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极、去除光刻胶，然后退火形成阳极。光刻胶通过丙酮剥离，退火温度为350℃。
步骤50：将形成阳极后的样品片，通过涂光刻胶进行正面保护，背面减薄至去蜡至3μm厚，电镀金获得成品。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同之处在于，缓冲层2的厚度为1.8μm，浓度为1.5*10E18cm-3。作用层3的厚度为2μm，浓度为1.1*10E16cm-3左右。形成阴极时退火温度为450℃，形成阳极的退火温度为400℃。圆柱形台面的直径为70μm。将毡片后的衬底1背面减薄、去蜡10μm厚。其他地方与实施例一完全一致。
实施例三：
本实施例与实施例一的不同之处在于，缓冲层2的厚度为1.6μm，浓度为0.8*10E18cm-3。作用层3的厚度为1.8μm，浓度为0.9*10E16cm-3左右。形成阴极时退火温度为420℃，形成阳极的退火温度为380℃。圆柱形台面的直径为60μm。将毡片后的衬底1背面减薄、去蜡6μm厚。其他地方与实施例一完全一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于，包括：
在高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层；
将所述生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极；
在所述形成阴极后的衬底上，利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀台面；
将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极；
将所述形成阳极后的衬底进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品。
2.如权利要求1所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于，所述在高掺硫的磷化铟衬底上生长磷化铟外延层包括：
利用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉淀技术在高掺硫的磷化铟衬底上生长掺杂的N型磷化铟作为缓冲层，厚度为1.2~1.8μm，浓度为1~1.5*10E18cm-3；
利用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉淀技术在所述缓冲层上面生长低掺杂的N型磷化铟作为作用层，厚度为1.5~2μm，浓度为0.75~1.1*10E16cm-3。
3.如权利要求1所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于，所述将所述生长磷化铟外延层后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阴极包括：
将所述生长磷化铟外延层后的衬底利用圆形光刻板，在外层光刻，形成圆形凹槽，然后蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，用于制备形成阴极所需的金属层；
将所述蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底上的光刻胶剥离后进行退火，形成阴极。
4.如权利要求3所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于:
所述光刻胶通过丙酮剥离，所述退火温度为350℃-450℃。
5.如权利要求1所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于:
所述利用湿法腐蚀或反应耦合等离子体刻蚀的台面呈圆柱形，直径为40-70μm。
6.如权利要求5所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于:
所述利用湿法腐蚀时采用氯基溶液进行腐蚀，所述氯基溶液是HCl和H3PO4的混合溶液。
7.如权利要求1所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于，所述将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底进行光刻定形、蒸发金属电极后形成阳极包括：
将所述腐蚀或刻蚀台面后的衬底光刻形成圆环形凹槽，蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极，用于制备形成阳极所需的金属层；
将所述蒸发Ge/Au/Ni/Au金属电极后的衬底上的光刻胶剥离后进行退火，形成阳极。
8.如权利要求7所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于:
所述圆环形凹槽在所述台面外围；
所述光刻胶通过丙酮剥离，所述退火温度为350℃-450℃。
9.如权利要求3、4、7或8任一项所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于:
所述生成阳极时的退火温度低于所述生成阴极时的退火温度30℃以上。
10.如权利要求1所述的太赫兹的磷化铟耿氏管制备方法，其特征在于，将所述形成阳极后的衬底进行正面保护，背面减薄后电镀金获得成品包括：
将所述形成阳极后的衬底的正面毡片，并用光刻胶进行正面保护；
将所述毡片后的衬底背面减薄、去蜡至3~10μm厚，然后电镀金处理获得成品。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121024