CN104795461B - GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括：制作光刻掩模板，共四块，该光刻掩模板包括蝴蝶结天线；在GaAs衬底上制作外延片；在外延片的表面蒸镀SiO2薄膜；在SiO2薄膜上制作图形；在第二GaAs层上制作图形；腐蚀；在暴露的第二GaAs层和SiO2薄膜上制作图形；蒸镀Au/Ge/Ni金属，剥离，形成源和漏电极；退火；通过光刻将第四光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第三AlGaAs层上；在外延片的表面蒸镀Ti/Au金属，剥离，在第三AlGaAs层上形成栅电极；在电极上接出引线，完成制备。本发明通过改变偏压大小，即可影响频率共振的范围，从而调节不同频率的响应增益，所以具有可调响应频率的特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种太赫兹探测器的制作方法，特别是关于一种GaAs(001)衬底上利用高电子迁移率晶体管中等离子体震荡探测太赫兹的方法。
背景技术
太赫兹是指频率在0.1THz至3THz范围内的电磁波。在太赫兹技术领域中，太赫兹波的发射和探测始终是永恒的发展方向。不同结构的器件包括微辐射计、耿氏二极管以及高雷核广泛地应用于探测器领域，但是同时也存在需要低温制冷、探测率低等不同问题。太赫兹探测器在越来越多的科学领域有着日益广泛的应用。传统的太赫兹的探测方法包括微辐射计测温法、光电导天线探测法、高雷核探测法，各种探测器探测方法存在不同的优缺点，适用的领域范围也各不相同。
微热辐射计和高雷核都是被动直接探测太赫兹的器件。直接探测技术是探测太赫兹波的振幅，探测器同时探测到所接受的太赫兹辐射和背景辐射，而太赫兹波经聚焦透镜聚焦在探测器上，引起电信号的变化，后经放大器放大产生光电流信号。这两种探测器的优点是可以探测各种光源发生的太赫兹波，缺点是探测率低且没有相位信息，容易受到环境辐射的影响。
光电导代表的是一种主动式探测方法，它由两个蒸镀在半导体上的电极组成。当外加的飞秒激光器打到半导体上两电极之间时，半导体吸收产生大量的自由载流子。如果这时太赫兹源产生的太赫兹电场入射到天线表面，会将载流子驱赶到两个电极，使外接电流指示器产生读数。当自由载流子的寿命远小于太赫兹脉冲周期时，可认为自由载流子受到一个恒定电场的作用，此时电流强度与太赫兹电场成线性关系，并且由傅里叶变化还可得到相位信息。这种探测方法的优点在于，排除了环境噪声的影响，可得到较高信噪比的结果，并且可以进行相位测量。缺点是工作范围较窄，且需要昂贵并笨重的飞秒激光器作为激发光源。
本发明是在GaAs(001)衬底上利用高电子迁移率场效应管结构中实现二维电子气响应太赫兹波的方法，为GaAs基材料的新型光电单光子源器件集成中的高灵敏太赫兹探测提供一种技术解决方案。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其高电子迁移率场效应管中的等离子体频率和所加偏压有关，通过改变偏压大小，即可影响频率共振的范围，从而调节不同频率的响应增益，所以具有可调响应频率的特性。
本发明提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括以下步骤：
步骤1：制作光刻掩模板，共四块，该光刻掩模板包括蝴蝶结天线；
步骤2：在GaAs衬底上依次生长第一GaAs层、第一AlGaAs层、第二AlGaAs层、第三AlGaAs层和第二GaAs层，形成外延片；
步骤3：在外延片的表面蒸镀300nm的SiO2薄膜；
步骤4：通过光刻将第一光刻掩模板的图形转移到外延片表面的SiO2薄膜上；
步骤5：刻蚀，在SiO2薄膜上形成图形；
步骤6：通过光刻将第二光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层上；
步骤7：腐蚀，在第二GaAs层上形成图形；
步骤8：通过光刻将第三光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层和SiO2薄膜上；
步骤9：在外延片的表面蒸镀Au/Ge/Ni金属，剥离，在第二GaAs层和SiO2薄膜上形成源和漏电极；
步骤10：对外延片进行退火；
步骤11：通过光刻将第四光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第三AlGaAs层上；
步骤12：在外延片的表面蒸镀Ti/Au金属，剥离，在第三AlGaAs层上形成栅电极；
步骤13：在电极上接出引线，完成制备。
本发明的有益效果是，高电子迁移率场效应管内的二维电子气所产生的等离子体的震荡频率可达到太赫兹波段，与天线接收到的太赫兹波耦合共振，改变了源和漏之间的电压大小，实现了一种在GaAs(001)衬底上利用高电子迁移率场效应管中实现二维电子气响应太赫兹波的方法。本发明可应用于GaAs基材料的太赫兹器件集成。
附图说明
为进一步说明本发明的技术方案和优点，下面以蝴蝶结天线耦合的探测器为例，对本发明做进一步详细说明，其中：
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明探测器的外延结构示意图；
图3为本发明探测器的器件结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图3所示，本发明提供一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括以下步骤：
步骤1：制作光刻掩模板，为4版3英寸暗版光刻掩膜版，共四块，分别为第一光刻掩模板、第二光刻掩模板、第三光刻掩模板、第四光刻掩模板。该光刻掩模板包括蝴蝶结天线，该蝴蝶结天线的半径为60-600μm，所述光刻掩模板中沟道长度为500nm-11μm，沟道宽度200nm-5μm，栅极长度为50nm-4μm；
步骤2：使用分子束外延设备在GaAs(001)衬底上生长GaAs层/AlGaAs层型沟道的高电子迁移率器件结构。
具体步骤为在GaAs衬底上依次生长第一GaAs层、第一AlGaAs层、第二AlGaAs层、第三AlGaAs层和第二GaAs层，形成外延片，所述外延片中的第二AlGaAs层的掺杂浓度为2-4E18/cm3、第三AlGaAs的掺杂浓度为1-3E17/cm3、第二GaAs层的掺杂浓度为1-5E18/cm3，所述外延片中的第一GaAs层的厚度为600-1000nm、第一AlGaAs层的厚度为2-5nm、第二AlGaAs层的厚度为40-60nm、第三AlGaAs层的厚度为20-40nm、第二GaAs层的厚度为40-60nm；
这样一种结构可以使得载流子(即电子)在GaAs层和AlGaAs层之间形成的沟道中运动，因为能带的关系，在这里会产生一种能谷使得电子聚集在此处。这也被称为二维电子气。其中第二AlGaAs层的作用在于，它的掺杂原子Si在掺杂过程中释放电子，这些电子由于离上述能谷较近而聚集过去，失去电子的Si离子却固定在此处，使得电子和Si离子分离。因为Si离子是较大粒子，会对电子产生影响大的杂质散射，这样的设计就使电子远离杂质散射，从而提高了运动速率，提高了电子的迁移率。本发明设计的太赫兹探测器需要很高的电子迁移率来实现功能；
步骤3：在外延片的表面蒸镀SiO2薄膜，所述SiO2薄膜的厚度为300nm，其具体实施方式是对外延片，先用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干，然后利用等离子体增强化学气相淀积法在外延片的表面蒸镀300nm厚的SiO2薄膜；
步骤4：通过光刻将第一光刻掩模板的图形转移到外延片表面的SiO2薄膜上，其具体实施方式是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第一光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，然后坚膜使得固化的光刻胶进一步得到稳固以防止刻蚀时被完全刻掉，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
步骤5：刻蚀，在SiO2薄膜上形成图形，其具体实施方式是在有光刻胶的外延片上，使用感应耦合等离子体刻蚀技术，将外延片上没有光刻胶掩盖的SiO2薄膜去除，形成了第一光刻掩模板的图形，然后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将固化的光刻胶去除，然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干；
步骤6：通过光刻将第二光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层上，其具体实施方式是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第二光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，然后加热使得固化的光刻胶进一步得到稳固以防止腐蚀时在外延片表面漂动，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
步骤7：腐蚀，在第二GaAs层上形成图形，所述腐蚀所用的腐蚀液是由一水合柠檬酸、水、双氧水按1∶1∶2比例配制，所述腐蚀液的温度为24-28℃。腐蚀液的配置具体方法为量取定量的一水合柠檬酸，溶于相同质量的去离子水中，搅拌均匀后，倒入两倍于去离子体水体积的双氧水，继续搅拌至完全溶解。然后将外延片浸泡在腐蚀液中腐蚀7-9min，使得没有被固化的光刻胶覆盖的第二GaAs层完全去除。之后在丙酮中浸泡外延片，使得外延片表面的光刻胶全部溶解。然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干；
步骤8：通过光刻将第三光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层和SiO2薄膜上，其具体实施方式是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第三光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
步骤9：在外延片的表面蒸镀Au/Ge/Ni金属，剥离，在第二GaAs层和SiO2薄膜上形成源和漏电极，其具体实施方式是使用热蒸发机器来完成的，首先将外延片使用胶带贴到热蒸发的台子上，在舟上放置Au/Ge/Ni合金，然后盖上盖子，使用机械泵和分子泵抽真空，然后对热蒸发机器内的舟加热使得合金融化，金属原子蒸发到外延片表面，从而在外延片的表面蒸镀Au/Ge/Ni金属。完成后将外延片取出，进行剥离，其具体实施方式是在丙酮中浸泡外延片，使得外延片表面的光刻胶全部溶解，在溶解过程中，光刻胶上的金属就随着光刻胶一起脱落，没有光刻胶的部分上的金属保留，保留的金属形成了电极。然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干。Au/Ge/Ni金属是作为源和漏电极；
步骤10：对外延片进行退火，所述退火的温度为400-500℃，时间为20s。其具体实施方式是使用电脑控制的快速热退火炉，将外延片放置在通有氮气的腔室内，然后开启机器，设置电脑程序，条件为110℃ 1min、250℃ 20s、400-500℃ 20s，运行程序。程序结束后等待外延片温度自然下降至80℃以内取出，然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干；
步骤11：通过光刻将第四光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第三AlGaAs层上，其具体实施方式是使用涂胶机在外延片表面旋涂正胶。使用光刻机利用接触式曝光工艺转移第四光刻掩模板上的图形到外延片表面的光刻胶上形成图形，然后显影使得未固化的光刻胶溶解掉，之后调整等离子体去胶机的参数，利用等离子体去胶机将残余的未固化的光刻胶去除；
步骤12：在外延片的表面蒸镀Ti/Au金属，剥离，在第三AlGaAs层上形成栅电极，其具体实施方式是使用电子束蒸发机器或者磁控溅射机器，将Ti/Au金属淀积到外延片表面。完成后将外延片取出，进行剥离，其具体实施方式是在丙酮中浸泡外延片，使得外延片表面的光刻胶全部溶解，在溶解过程中，光刻胶上的金属就随着光刻胶一起脱落，没有光刻胶的部分上的金属保留，保留的金属形成了电极。然后使用三氯乙烯、丙酮和无水乙醇依次对表面进行清洗并烘干。Ti/Au金属是作为栅电极；
步骤13：在电极上接出引线，完成制备。其具体实施方式是使用金丝球焊机在电极上接出引线到外部电路，外部电路可以接到测试仪器或者产品端口上，完成制备。
本发明所采用的光刻掩模板中蝴蝶结天线的作用是是接收外来太赫兹波，它的半径为60-600μm，由两个对称的120度角的扇形组成。在两个扇形之间是光刻掩模板组合形成的图形，是高电子迁移率场效应管，其沟道长度为500nm-11μm，沟道宽度200nm-5μm，栅极长度为50nm-4μm。这样一种短沟道长度范围可以使电子迁移所遇到的散射减少，有利于太赫兹波的探测。
本发明利用蝴蝶结天线结构接收太赫兹波，采用高电子迁移率场效应管结构，太赫兹波和加一个直流偏压的高电子迁移率场效应管内的二维电子气产生的等离子体波发生频率共振，进而影响源极和漏极之间的直流电压大小，电压变化值的大小和太赫兹波振幅与相位信息相关，通过测量变化的电压值即可探测太赫兹波的相关信息。创新之处在于高电子迁移率场效应管中的等离子体频率和所加的直流偏压有关，通过改变偏压大小，改变频率的值，这个频率与太赫兹波的频率耦合，从而调节不同频率的响应增益，所以具有可调最大响应频率的特性。本发明优先提出了利用高电子迁移率场效应管的结构响应太赫兹波段，主要原理在于，高电子迁移率场效应管内的二维电子气所产生的等离子体的对应频率可达到太赫兹波段，高电子迁移率场效应管尺寸足够小以作为太赫兹波的共振器。这样的结构可以看做是“电子高频笛”，类比乐器中的笛子，笛管对人所呼出的声音频率产生共振进而发出声响，本发明对太赫兹波共振进而产生直流电压的变化。本发明可以实施的材料为GaAs/AlGaAs结构和InP/InGaAs等结构的高电子迁移率器件，这些器件的室温电子迁移率可达5000cm2/Vs，在沟道长度为微米量级及以下的器件中所响应的频率为太赫兹波段，这种方法为太赫兹波的可调谐测量提供了很好的解决方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，包括以下步骤：
步骤1：制作光刻掩模板，共四块，该光刻掩模板包括蝴蝶结天线；
步骤2：在GaAs衬底上依次生长第一GaAs层、第一AlGaAs层、第二AlGaAs层、第三AlGaAs层和第二GaAs层，形成外延片；
步骤3：在外延片的表面蒸镀300nm的SiO2薄膜；
步骤4：通过光刻将第一光刻掩模板的图形转移到外延片表面的SiO2薄膜上；
步骤5：刻蚀，在SiO2薄膜上形成图形；
步骤6：通过光刻将第二光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层上；
步骤7：腐蚀，在第二GaAs层上形成图形；
步骤8：通过光刻将第三光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第二GaAs层和SiO2薄膜上；
步骤9：在外延片的表面蒸镀Au/Ge/Ni金属，剥离，在第二GaAs层和SiO2薄膜上形成源和漏电极；
步骤10：对外延片进行退火；
步骤11：通过光刻将第四光刻掩模板的图形转移到外延片暴露的第三AlGaAs层上；
步骤12：在外延片的表面蒸镀Ti/Au金属，剥离，在第三AlGaAs层上形成栅电极；
步骤13：在电极上接出引线，完成制备。
2.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中SiO2薄膜的厚度为300nm。
3.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中腐蚀所用的腐蚀液是由一水合柠檬酸、水、双氧水按1∶1∶2比例配制。
4.根据权利要求3所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中腐蚀液的温度为24-28℃。
5.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中退火的温度为400-500℃，时间为20s。
6.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中外延片中的第二AlGaAs层的掺杂浓度为2-4E18/cm3、第三AlGaAs层的掺杂浓度为1-3E17/cm3、第二GaAs层的掺杂浓度为1-5E18/cm3。
7.根据权利要求6所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中外延片中的第一GaAs层的厚度为600-1000nm、第一AlGaAs层的厚度为2-5nm、第二AlGaAs层的厚度为40-60nm、第三AlGaAs层的厚度为20-40nm、第二GaAs层的厚度为40-60nm。
8.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中光刻掩模板中沟道长度为500nm-11μm，沟道宽度200nm-5μm，栅极长度为50nm-4μm。
9.根据权利要求1所述的GaAs基二维电子气等离子体震荡太赫兹探测器的方法，其中光刻掩模板中蝴蝶结天线的半径为60-600μm。
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