CN103178150B - 天线耦合太赫兹探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线耦合太赫兹探测器，其包括太赫兹天线、第一半导体衬底、第二半导体衬底以及半导体量子阱结构太赫兹探测器；所述太赫兹天线设置在所述第一半导体衬底上表面，所述第一半导体衬底下表面与第二半导体衬底的上表面连接，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器设置在所述第二半导体衬底的底面；所述太赫兹天线是太赫兹光的感光面,入射的太赫兹电磁波在所述太赫兹天线的作用下，向所述半导体量子阱太赫兹探测器件所在位置汇聚，所述半导体量子阱太赫兹探测器件接收并分析经所述太赫兹天线汇聚的太赫兹电磁波。本发明提供的太赫兹天线通过够汇聚太赫兹电磁波，提高了本发明的探测性能以及工作温度，并且本发明生产工艺较简单。

Description

天线耦合太赫兹探测器

技术领域

本发明涉及到的技术领域为半导体光电探测技术，具体为一种天线增强的半导体太赫兹探测技术。

背景技术

太赫兹波是是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长范围大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。太赫兹探测和成像技术在国家安全、机场安检、健康体检、痕量物质分析等各方面具备重要的应用前景，意义重大。进入上个世纪80年代以后，随着新材料和新技术的发展，尤其是特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹技术得以迅速发展，在全世界范围内涌现了太赫兹研究的热潮。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

目前尚且缺乏紧凑、高效的太赫兹探测技术。现研究人员研究了子带间跃迁太赫兹探测器，其将两种不同的半导体材料交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续，势阱中会产生束缚的分裂能级；当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到激发态，在外加偏置电压下形成光电流，从而实现对太赫兹光的探测。半导体子带间跃迁太赫兹探测器具备结构可调、工艺成熟、结构紧凑等突出优点。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种天线耦合太赫兹探测器，包括太赫兹天线、第一半导体衬底、第二半导体衬底以及半导体量子阱结构太赫兹探测器；所述太赫兹天线设置在所述第一半导体衬底上表面，所述第一半导体衬底下表面与第二半导体衬底的上表面连接，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器设置在所述第二半导体衬底的底面；

所述太赫兹天线是太赫兹光的感光面,入射的太赫兹电磁波在所述太赫兹天线的作用下，向所述半导体量子阱太赫兹探测器件所在位置汇聚，所述半导体量子阱太赫兹探测器件接收并分析经所述太赫兹天线汇聚的太赫兹电磁波。

较佳地，所述太赫兹天线为二维金属层，其形状以及尺寸与所需探测的太赫兹波长匹配，所述太赫兹天线实现对太赫兹光的汇聚。

较佳地，所述太赫兹天线为螺旋形天线或四个电偶极天线。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器为半导体结构，其利用半导体量子阱结构中的子带间跃迁实现对太赫兹光子吸收，进而产生光电子，从而实现对太赫兹光波的探测。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器利用分子束外延技术或者金属有机化学气相沉积技术在所述第二半导体衬底上生长制备获得。

较佳地，所述第一半导体衬底为Si衬底或GaAs衬底，所述第二半导体衬底为GaAs衬底。

较佳地，所述第一半导体衬底与第二半导体衬底通过晶体键合连接的。

一种天线耦合太赫兹探测器的制作方法，其包括以下步骤：

首先在第一衬底的上表面生成太赫兹天线，然后在第二衬底的下表面生成半导体量子阱结构太赫兹探测器，最后将第一衬底的下表面与第二衬底的上表面通过晶片键合的方式结合在一起形成本发明提供的天线耦合太赫兹探测器。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器的形成方法包括以下步骤：

首先，在所述第二衬底下表面依次生成：未掺杂的GaAs缓冲层、n型掺杂的GaAs下电极层、多层量子阱太赫兹吸收层、第一AlGaAs势垒层以及n型掺杂的GaAs上电极层；

然后在所述n型掺杂的GaAs上电极层表面沉积、光刻、刻蚀生成金属电极，得到半导体量子阱结构太赫兹探测器。

较佳地，所述各量子阱太赫兹吸收层分别包括第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层，所述第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层中心经Si掺杂。

较佳地，所述太赫兹天线的生成方法为：

选用Si或GaAs材质制作符合待检测太赫兹波长的第一衬底，在第一衬底上沉积、光刻、刻蚀形成所需的金属天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明利用天线汇聚入射的太赫兹光，而太赫兹探测器位于天线汇聚的焦点上，从而显著提高所探测的太赫兹光强，与此同时，太赫兹探测器器件本身的面积很小，因此暗电流和暗电流噪声也很小，从而显著提高探测性能；

2.利用天线，可以获得较强的太赫兹光强，根据理论计算可知，这一效应将有效提高器件的工作温度，在天线汇聚效果足够好时，有望将器件的背景限制温度（器件工作的理想温度）提高10K至数十K；

3.本发明利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，其流程标准结构稳定，有益于大批量、低成本生产。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的天线耦合太赫兹探测器结构示意图；

图2为本发明提供的太赫兹天线的一实施例结构示意图；

图3为本发明提供的太赫兹天线的另一实施例结构示意图；

图4为本发明实施例提供的半导体量子阱结构太赫兹探测器结构示意图。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明提供了一种天线耦合太赫兹探测器，如图1所示，其包括太赫兹天线1、第一半导体衬底2、第二半导体衬底3以及半导体量子阱结构太赫兹探测器4；太赫兹天线1设置在第一半导体衬底2上表面，第一半导体衬底2下表面与第二半导体衬底3的上表面连接，半导体量子阱结构太赫兹探测器4设置在第二半导体衬底3的底面。其中太赫兹天线1太赫兹光的感光面，入射的太赫兹电磁波在天线的作用下，向太赫兹天线1的中心位置汇聚，入射的太赫兹电磁波在天线的作用下，向半导体量子阱结构太赫兹探测器4所在位置汇聚，起到类似透镜的汇聚作用，从而使探测器的探测性能明显提升。

本发明的设计思想为：红外或者太赫兹探测器件最重要的因素为信噪比，即器件信号与噪声的比值。其中器件信号与器件面积成正比，而与此同时器件噪声也同样与器件面积成正比。在不改变其他有素的前提下，增大器件面积并不能提高器件的探测性能，因为两者等比例增加。但是利用我们所提出的设计，能够大大提高天线耦合太赫兹探测器的感光面积，与此同时器件噪声还是保留在很低的地步，因此，天线耦合太赫兹探测器信噪比得以明显提升。

其中太赫兹天线1为金属结构，其作用在于，入射太赫兹电磁波能够引发太赫兹天线1中的表面电荷密度振荡，从而导致特定位置的太赫兹波增强，从而实现对太赫兹光的汇聚。本发明提出的天线耦合太赫兹探测器，其中太赫兹天线1的尺寸、形状等因素根据所需探测波段等因素进行特别设计。

图2和3所示，为本发明提供的太赫兹天线1的两个实例。其中图2是一个正方螺旋形太赫兹天线，灰色部分为金属部分，根据电磁学的基本原理易于得知，入射太赫兹电磁波倾向于向中心汇聚，从而在中心半导体量子阱太赫兹探测器件所在位置形成较高电磁波场；图3是另外一个实例，由四个电偶极天线形成，其原理和作用与图1中情况类似。具体实施过程中，天线的形态和尺寸都需要根据所需探测的太赫兹波长进行特别设计，使器件能够实现性能的最优化。

半导体量子阱结构太赫兹探测器4为半导体结构，利用半导体量子阱结构中的子带间跃迁实现对太赫兹光子吸收，进而产生光电子，从而实现对太赫兹光波的探测。半导体量子阱结构太赫兹探测器4利用分子束外延技术或者金属有机化学气相沉积技术在半导体衬底上生长制备获得。

本发明提供的第一半导体衬底2为Si衬底或GaAs衬底，第二半导体衬底3为GaAs衬底；第一半导体衬底2与第二半导体衬底3通过晶体键合连接的。本发明提供的天线耦合太赫兹探测器第一半导体衬底2与第二半导体衬底3也可以为一体成型，仅由一个半导体衬底同时充当衬底承载赫兹天线1的第一半导体衬底与承载半导体量子阱结构太赫兹探测器4的第二半导体衬底。

本发明提供的天线耦合太赫兹探测器的制作方法，包括以下步骤：

首先在第一衬底2的上表面生成太赫兹天线1，然后在第二衬底3的下表面生成半导体量子阱结构太赫兹探测器4，最后将第一衬底2的下表面与第二衬底3的上表面通过晶片键合的方式结合在一起形成本发明提供的天线耦合太赫兹探测器。

其中半导体量子阱结构太赫兹探测器4的形成方法包括以下步骤：

首先，在第二衬底3下表面依次生成：未掺杂的GaAs缓冲层11、n型掺杂的GaAs下电极层12、多层量子阱太赫兹吸收层13、第一AlGaAs势垒层14以及n型掺杂的GaAs上电极层15；

然后在n型掺杂的GaAs上电极层15表面沉积、光刻、刻蚀生成金属电极，得到半导体量子阱结构太赫兹探测器4。其中所述各量子阱太赫兹吸收层分别包括第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层，所述第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层中心经SI掺杂。上述AlGaAs势垒层的组分、厚度，GaAs势阱层的厚度、掺杂浓度等参数由希望探测的波长决定。将所述量子阱太赫兹吸收层重复若干个层，量子阱探测器的光吸收系数正比于周期数，为实现较好的探测效果，周期数一般需要大于10。

太赫兹天线1的生成方法为：

可选用Si或者GaAs等半导体衬底作为第一半导体衬底2，第一半导体衬底2的厚度根据探测波长等实际应用场合进行选择，设计适合形态的太赫兹天线3，在半导体衬底上沉积、光刻、刻蚀形成所需的太赫兹天线3。

本发明具有以下优点：

首先，本发明中的天线耦合量子阱太赫兹探测器具备较高的探测性能。利用天线汇聚入射的太赫兹光，而半导体量子阱结构太赫兹探测器位于天线汇聚的焦点上，从而显著提高所探测的太赫兹光强。与此同时，半导体量子阱结构太赫兹探测器本身的面积很小，因此暗电流和暗电流噪声也很小，从而显著提高探测性能。

其次，本发明的天线耦合量子阱太赫兹探测器具备较高的工作温度。利用天线，可以获得较强的太赫兹光强。根据理论计算可知，这一效应将有效提高器件的工作温度，在天线汇聚效果足够好时，有望将器件的背景限制温度（器件工作的理想温度）提高10K至数十K。

最后，与其他类型的太赫兹探测器，例如微测热仪相比较，本发明的天线耦合量子阱太赫兹探测器，可以利用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）直接在半导体衬底上生长，然后利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，其流程标准结构稳定，有益于大批量、低成本生产。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，包括太赫兹天线、第一半导体衬底、第二半导体衬底以及半导体量子阱结构太赫兹探测器；所述太赫兹天线设置在所述第一半导体衬底上表面，所述第一半导体衬底下表面与第二半导体衬底的上表面连接，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器设置在所述第二半导体衬底的底面；

所述太赫兹天线是太赫兹光的感光面,入射的太赫兹电磁波在所述太赫兹天线的作用下，向所述半导体量子阱太赫兹探测器件所在位置汇聚，所述半导体量子阱太赫兹探测器件接收并分析经所述太赫兹天线汇聚的太赫兹电磁波。

2.如权利要求1所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述太赫兹天线为二维金属层，其形状以及尺寸与所需探测的太赫兹波长匹配，所述太赫兹天线实现对太赫兹光的汇聚。

3.如权利要求2所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述太赫兹天线为螺旋形天线或四个电偶极天线。

4.如权利要求1所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器为半导体结构，其利用半导体量子阱结构中的子带间跃迁实现对太赫兹光子吸收，进而产生光电子，从而实现对太赫兹光波的探测。

5.如权利要求4所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器利用分子束外延技术或者金属有机化学气相沉积技术在所述第二半导体衬底上生长制备获得。

6.如权利要求1所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述第一半导体衬底为Si衬底或GaAs衬底，所述第二半导体衬底为GaAs衬底。

7.如权利要求6所述的天线耦合太赫兹探测器，其特征在于，所述第一半导体衬底与第二半导体衬底通过晶体键合连接。

8.如权利要求1所述的天线耦合太赫兹探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先在第一衬底的上表面生成太赫兹天线，然后在第二衬底的下表面生成半导体量子阱结构太赫兹探测器，最后将第一衬底的下表面与第二衬底的上表面通过晶片键合的方式结合在一起形成天线耦合太赫兹探测器。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器的形成方法包括以下步骤：

首先，在所述第二衬底下表面依次生成：未掺杂的GaAs缓冲层、n型掺杂的GaAs下电极层、多层量子阱太赫兹吸收层、第一AlGaAs势垒层以及n型掺杂的GaAs上电极层；

然后在所述n型掺杂的GaAs上电极层表面沉积、光刻、刻蚀生成金属电极，得到半导体量子阱结构太赫兹探测器。

10.如权利要求9所述的制作方法，其特征在于，各量子阱太赫兹吸收层分别包括第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层，所述第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层中心经Si掺杂。

11.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述太赫兹天线的生成方法为：

选用Si或GaAs材质制作符合待检测太赫兹波长的第一衬底，在第一衬底上沉积、光刻、刻蚀形成所需的金属天线。