CN103968959A - 基于电容耦合的室温太赫兹检测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容耦合的室温太赫兹检测器，包括硅衬底，所述硅衬底上的第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层上的六氮五铌薄膜微桥，所述六氮五铌薄膜微桥两端连接的金属薄膜电极，位于所述六氮五铌薄膜微桥上的第二二氧化硅层，以及位于所述第二二氧化硅层上的金薄膜偶极子天线。本发明还公开了制备上述室温太赫兹检测器的方法。本发明的室温太赫兹检测器工作于室温，具有较高灵敏度，且容易做成大规模阵列芯片。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹检测器及其制备方法，具体是一种基于电容耦合的室温太赫兹检测器及其制备方法，可应用于太赫兹波段的微弱信号检测和实时成像领域。
背景技术
微测辐射热计是目前应用最为广泛也是最为成功的热探测器结构，它利用热敏材料的电阻率随温度变化的特性来传感太赫兹辐射。在早期，人们曾经尝试用常用金属(铋，铌等)作为敏感材料，但随着半导体材料及其制备技术研究的深入，以氧化钒和非晶硅为代表的半导体薄膜材料已取代金属材料成为微测辐射热计敏感材料的主流。但是氧化钒和非晶硅材料做成的微测热辐射计对太赫兹波段的信号吸收不佳，灵敏度较低。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种工作于室温，具有较高灵敏度，且容易做成大规模阵列芯片的太赫兹检测器及其制备方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种基于电容耦合的室温太赫兹检测器，包括硅衬底，所述硅衬底上的第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层上的六氮五铌薄膜微桥，所述六氮五铌薄膜微桥两端连接的金属薄膜电极，位于所述六氮五铌薄膜微桥上的第二二氧化硅层，以及位于所述第二二氧化硅层上的金薄膜偶极子天线。所述第二二氧化硅层为电容的介质层。
进一步的，所述第二二氧化硅层通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备。二氧化硅电容的作用是补偿或部分补偿六氮五铌薄膜微桥在高频下的电感，调节不同工作频率下负载的电抗，使六氮五铌薄膜微桥与金薄膜偶极子天线之间能获得一个好的阻抗匹配。
进一步的，所述第二二氧化硅层的厚度为10nm至200nm。
进一步的，所述金属薄膜电极的引线走向与金薄膜偶极子天线（简称“天线”）的极化方向一致，避免干扰天线的电场分布。
第二二氧化硅层（电容）与六氮五铌薄膜微桥共同构成金薄膜偶极子天线的负载。
电容耦合的常温太赫兹检测器核心部分为六氮五铌薄膜微桥，六氮五铌薄膜微桥大小为4 μm×4 μm，厚度为120 -150 nm，该薄膜将吸收的入射太赫兹光引起的温度变化转换为电阻变化。
六氮五铌薄膜微桥结构具有100 nm左右厚的二氧化硅支撑层。
六氮五铌薄膜与硅衬底之间是空气腔，其深度为1 -5 μm。
六氮五铌薄膜微桥左右两侧对称的空气腔的大小均为10 μm×25 μm。
六氮五铌薄膜两端具有与外部电路相连的金薄膜电极。
本发明采用的第二种技术方案为一种制备如上所述室温太赫兹检测器的方法，包括如下步骤：
（1）在硅衬底上生长形成第一二氧化硅层；
（2）在第一二氧化硅层上磁控溅射生长六氮五铌薄膜；
（3）在六氮五铌薄膜上光刻并用剥离的方法制备金薄膜电极；
（4）光刻并刻蚀制备六氮五铌薄膜微桥；
（5）在六氮五铌薄膜微桥上生长第二二氧化硅层；
（6）在第二二氧化硅层上光刻并用剥离的方法制备金薄膜偶极子天线。
进一步的，还包括如下步骤：
（7）在所述六氮五铌薄膜微桥两侧光刻，形成刻蚀窗口图形；
（8）使用湿法刻蚀的方法将所述刻蚀窗口图形暴露出来的第一二氧化硅层去掉，使第一二氧化硅层下面的硅衬底暴露出来；
（9）使用反应离子刻蚀（RIE）将所述暴露出来的硅衬底刻蚀，从而形成空气腔。
进一步的，所述第二二氧化硅层的厚度为10 nm至200 nm。
进一步的，所述六氮五铌薄膜的厚度为120 nm 至150 nm。
进一步的，所述硅衬底为高阻硅衬底。
进一步的，所述第一二氧化硅层的厚度为100nm。
第一二氧化硅层和第二二氧化硅层通过热氧化的工艺制成。
有益效果：本发明提供了一种太赫兹检测器及其制备方法，该检测器工作于室温，具有较高灵敏度，响应速度快，且容易做成大规模阵列芯片等优点，实现了对太赫兹波段微弱信号的检测。
附图说明
图1是电容耦合的六氮五铌常温太赫兹检测器（电容介质厚度为200nm），其中（a）是光学放大50倍的单个检测器照片（b）是光学放大1000倍单个六氮五铌微桥的照片。
图2是含有空气腔的六氮五铌薄膜微桥垂直于图1(b)平面的剖面结构示意图。
图3是太赫兹测器响应电压与入射光调制频率的关系图。
图4是太赫兹检测器制备工艺流程图。
图5（a）至图5（d）是太赫兹检测器制备过程的部分光学照片。
图中的标记说明如下：
1 表面具有100 nm左右厚二氧化硅的高阻硅衬底
2六氮五铌薄膜微桥
3 高阻硅衬底
4 二氧化硅绝热支撑层（即第一二氧化硅层）
5 六氮五铌薄膜
6 空气腔
7 金薄膜电极
8 二氧化硅电容介质层（即第二二氧化硅层）
9 金薄膜偶极子天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明的基于耦合电容的六氮五铌薄室温太赫兹检测器较氧化钒和非晶硅的微测热辐射计来说，对太赫兹信号具有更好的吸收，同时制备工艺简单，与微电子制造工艺相兼容，有利于制作大规模阵列。此外，工作在常温，不需要制冷。这种基于耦合电容的六氮五铌薄室温太赫兹检测器在太赫兹成像和太赫兹通讯具有广阔的应用前景。
图1是电容耦合的六氮五铌太赫兹检测器，图2是含有空气腔的六氮五铌薄膜微桥的剖面结构示意图。当太赫兹波经过金薄膜偶极子天线9耦合到六氮五铌薄膜微桥2上时，六氮五铌薄膜5因吸收能量温度升高导致电阻变化，在一定的偏置电流下产生一变化的电压，此电压反映了入射太赫兹光功率的大小。为了减少六氮五铌薄膜5与高阻硅衬底3之间的热导，先在高阻硅衬底3上热氧化生长100 nm左右厚的二氧化硅绝热支撑层4，这二氧化硅同时起支撑层的作用。为了进一步减小六氮五铌薄膜5与高阻硅衬底3之间的热导，使用等离子刻蚀（RIE）的方法，将六氮五铌薄膜5下面及两侧的高阻硅衬底刻蚀，刻蚀深度1-5 μm，由此形成含有空气腔6的六氮五铌薄膜微桥2。为了读出六氮五铌薄膜微桥2上面的变化电压，在其两端制作了金薄膜电极7。为了补偿六氮五铌薄膜的电感效应，我们在六氮五铌薄膜微桥2和金薄膜偶极子天线9之间长了一层200nm的二氧化硅电容介质层8作为耦合电容。
图3是太赫兹测器响应电压与入射光调制频率的关系。为了测量器件的性能，我们采用的太赫兹源由VDI公司生产的AMC-336倍频器，及安捷伦E8259D信号发生器组成，信号发生器提供低频信号（9.26 GHz到13.88 GHz），经AMC-336倍频得到太赫兹波段信号。太赫兹源的输出功率为0.5 mW左右，与频率有关。调制信号使用4 kHz的TTL信号作为调制信号。这里我们测量的频率范围为0.17-0.375 THz（WR4.3和WR2.8 VDI喇叭）。通过使用两个离轴抛物面反射镜，将辐射耦合到检测器。我们设计的天线的中心频率为340G，实际测得在频率343G时的电压响应率达到最大为2V/W,而没有耦合电容的太赫兹检测器在343G频率处基本无响应，这正是本发明的改进之处。
基于耦合电容的六氮五铌薄室温太赫兹检测器的制造方法：
图4是耦合电容的六氮五铌薄室温太赫兹检测器制备工艺流程:
第一步，在高阻硅（Si）衬底3上等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备100 nm 左右厚的第一二氧化硅(SiO2)层 4，该二氧化硅作为六氮五铌薄膜微桥2的绝热支撑层；
第二步，射频磁控溅射生长120-150 nm 左右的六氮五铌薄膜（Nb5N6）5；
第三步，光刻制备金薄膜电极7图形；
第四步，直流磁控溅射生长厚度300 nm左右的金薄膜，并通过剥离的方法制备金薄膜电极7，如图5(a)所示，除金薄膜电极外的材料均为六氮五铌；
第五步，光刻制备六氮五铌薄膜微桥2图形；
第六步，反应离子刻蚀（RIE）刻蚀制备六氮五铌薄膜微桥2，如图5(b)所示，此时黑框内的黑色处为六氮五铌薄膜微桥，其余位置已经被刻掉；
第七步，生长一层10 nm - 200 nm厚的第二二氧化硅(SiO2)层8作为耦合电容；
第八步，光刻制备金薄膜偶极子天线9图形；
第九步，直流磁控溅射生长厚度300 nm左右的金薄膜，并通过剥离的方法制备金薄膜偶极子天线9，如图5(c)所示；
第十步，在所述六氮五铌薄膜微桥2左右两侧光刻，即空气腔6所在位置，形成刻蚀窗口图形；
第十一步，使用氢氟酸（HF）缓冲液刻蚀将上述窗口图形暴露出来的二氧化硅去掉，使二氧化硅下面的高阻硅衬底3暴露出来；
第十二步，反应离子刻蚀（RIE）将上所述暴露出来的高阻硅衬底3刻蚀，刻蚀深度1 ~5μm，从而形成空气腔6，如图5(d)所示。
经过以上步骤，即可制备出器件，如图1（a）所示。
Claims (10)
1.一种基于电容耦合的室温太赫兹检测器，其特征在于，包括硅衬底，所述硅衬底上的第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层上的六氮五铌薄膜微桥，所述六氮五铌薄膜微桥两端连接的金属薄膜电极，位于所述六氮五铌薄膜微桥上的第二二氧化硅层，以及位于所述第二二氧化硅层上的金薄膜偶极子天线。
2.根据权利要求1所述基于电容耦合的室温太赫兹检测器，其特征在于，所述第二二氧化硅层通过等离子增强化学气相沉积工艺制备。
3.根据权利要求1所述基于电容耦合的室温太赫兹检测器，其特征在于，所述第二二氧化硅层的厚度为10nm至200nm。
4.根据权利要求1所述基于电容耦合的室温太赫兹检测器，其特征在于，所述金属薄膜电极的引线走向与金薄膜偶极子天线的极化方向一致。
5.一种制备如权利要求1所述室温太赫兹检测器的方法，包括如下步骤：
（1）在硅衬底上生长形成第一二氧化硅层；
（2）在第一二氧化硅层上磁控溅射生长六氮五铌薄膜；
（3）在六氮五铌薄膜上光刻并用剥离的方法制备金薄膜电极；
（4）光刻并刻蚀制备六氮五铌薄膜微桥；
（5）在六氮五铌薄膜微桥上生长第二二氧化硅层；
（6）在第二二氧化硅层上光刻并用剥离的方法制备金薄膜偶极子天线。
6.根据权利要求5所述室温太赫兹检测器的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
（7）在所述六氮五铌薄膜微桥两侧光刻，形成刻蚀窗口图形；
（8）使用湿法刻蚀的方法将所述刻蚀窗口图形暴露出来的第一二氧化硅层去掉，使第一二氧化硅层下面的硅衬底暴露出来；
（9）使用反应离子刻蚀将所述暴露出来的硅衬底刻蚀，从而形成空气腔。
7.根据权利要求5所述室温太赫兹检测器的方法，其特征在于，所述第二二氧化硅层的厚度为10 nm至200 nm。
8.根据权利要求5所述室温太赫兹检测器的方法，其特征在于，所述六氮五铌薄膜的厚度为120 nm 至150 nm。
9.根据权利要求5所述室温太赫兹检测器的方法，其特征在于，所述硅衬底为高阻硅衬底。
10.根据权利要求5所述室温太赫兹检测器的方法，其特征在于，所述第一二氧化硅层的厚度为100nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140806 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |