CN105336809B - 具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器。涉及半导体红外探测领域，所要解决的问题是现有太赫兹波探测器的低灵敏度和低效率问题。该探测器包括衬底、缓冲层、导电沟道层、势垒层、帽层、光栅栅极、源漏金属电极，其中，缓冲层、导电沟道层、势垒层组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构。利用阵列导电沟道结构对导电沟道层中的二维电子气调控，以及阵列导电沟道结构与光栅栅极组成对二维等离子体波调控的二维等离子晶体结构，增强阵列导电沟道结构中二维电子气对太赫兹波的响应，从而具有阵列导电沟道结构的高效、高灵敏度太赫兹波探测器。
Description
本发明涉及具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，属于半导体红外探测领域，是一种可调谐的高效、高灵敏度室温太赫兹探测器的创新结构，特别适用于太赫兹波段的高灵敏度共振探测。
背景技术
太赫兹（THz）波定义在0.1 THz～10 THz，介于微波和红外线之间，具有极其重要的学术价值和实用意义。太赫兹波的产生可由光学、电子学和超快光电子学等技术实现。太赫兹波的探测从技术角度划分，主要有相干探测和非相干探测两种。受太赫兹辐射源输出功率低，以及受传输损耗和热辐射噪声等因素的影响，太赫兹探测信号通常比较微弱。太赫兹科学技术的进步急切需要发展高灵敏度的太赫兹波探测器。在此背景下，多种太赫兹波探测器被研制。测辐射热计是一种非相干检测探测器，仅能探测器辐射功率大小，而不能记录THz辐射的相位信息。同时为了降低热噪声的影响，需要在低温下工作。热释电探测器结构简单，易于操作，并可在常温条件下工作，但其响应时间取决于新平衡温度的建立过程，不能测量快速变化的太赫兹辐射信号。高莱探测器响应频段宽，噪声等效功率低，响应度高且能在室温条件下工作，其缺点是对振动敏感，稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，主要解决现有太赫兹波探测器低灵敏度和低效率的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，包括从下往上依次设置的衬底11、缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14、光栅栅极16，以及设于势垒层14两侧的漏金属电极17，所述缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构，所述光栅栅极由一个以上的栅极组成，并且每个栅极的径向与阵列导电沟道结构的条形阵列的径向垂直。
所述阵列导电沟道结构为由缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14形成的脊型条形阵列结构，该结构为上述3层都是脊型。
或者，所述缓冲层、导电沟道层、势垒层中的其中一层或两层形成脊型条形阵列结构，当只有导电沟道层形成脊型条形阵列结构时，导电沟道层位于缓冲层与势垒层之间形成埋层结构。
进一步地，所述阵列导电沟道结构的条形宽度为100 nm-3 mm，阵列周期宽度为150 nm-10 mm，周期数为3-50。
再进一步地，所述光栅栅极的厚度为10nm-500nm，单个栅极的宽度为10nm-3mm，周期长度为20nm-10mm，周期数为1-50。
再进一步地，所述阵列导电沟道结构的可填充介质，填充介质为SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3，也可不填充介质。
漏金属电极17的制作方式有两种，第一种为：所述漏金属电极17制作在势垒层14两侧端部并且底部制作在导电沟道层13上。
在该种方式时，所述衬底的材料为蓝宝石、多晶硅、SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种；缓冲层为蓝宝石、多晶硅、SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种；导电沟道层为二维电子气，其载体材料为石墨烯；势垒层为SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种。
第二种为：还包括设于势垒层14两侧上方的帽层15，所述漏金属电极17制作在该帽层上。
在该种方式时，所述衬底的材料为GaAs或者InP，该种材料与第一种的衬底材料一样，都具有耐腐蚀、不导电的共性；缓冲层为非掺杂的高阻i- InGaAs；导电沟道层为二维电子气，其载体材料为i- InGaAs；势垒层为delta-掺杂的i- InAlAs，势垒层还包含i-InP截至层；帽层材料为n-InGaAs。
本发明公开的上述具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器可以是太赫兹波共振探测器，也可以是太赫兹波非共振探测器。将为获得高效、高灵敏度的室温太赫兹波探测器提供新思路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的缓冲层、导电沟道层、势垒层组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构，利用阵列导电沟道结构对导电沟道层中二维电子气的调控，以及阵列导电沟道结构与光栅栅极组成对二维等离子体波调控的二维等离子晶体结构，增强阵列导电沟道结构中二维电子气对太赫兹波的响应，有望实现对太赫兹波的共振探测，从而具有阵列导电沟道结构的高效、高灵敏度太赫兹波探测器，解决了现有太赫兹波探测器的低灵敏度和低效率问题。
附图说明
图1为本发明-实施例1具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器的侧视图。
图2为本发明-实施例1具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器的俯视图。
图3为本发明-实施例2具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器的侧视图。
图4为本发明-实施例2具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器的俯视图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
11-衬底，12-缓冲层，13-导电沟道层，14-势垒层，15-帽层，16-光栅栅极，17-漏金属电极，18-阵列导电沟道结构。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1和图2所示，具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，包括从下往上（图中Z轴方向）依次设置的衬底11、缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14、光栅栅极16，以及设于势垒层14两侧的漏金属电极17，缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构，光栅栅极由一个以上的栅极组成，并且每个栅极的径向与阵列导电沟道结构的条形阵列的径向垂直，漏金属电极17制作在势垒层14两侧端部并且底部制作在导电沟道层13上。
在本实施例中，阵列导电沟道结构18为由缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14形成的脊型条形阵列结构，或阵列导电沟道结构为只由导电沟道层13形成的脊型条形阵列埋层结构，导电沟道层13位于缓冲层12与势垒层14之间形成埋层结构，并且阵列导电沟道结构的条形宽度为100 nm-3 mm，阵列周期宽度为150 nm-10 mm，周期数为3-50，光栅栅极的厚度为10nm-500nm，单个栅极的宽度为10nm-3mm，周期长度为20nm-10mm，周期数目为1-50。
在本实施例中，衬底11，材料为蓝宝石、多晶硅、SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种，沿Z轴方向的厚度在100nm-1000µm范围。
缓冲层12，材料为蓝宝石、多晶硅、SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种，沿Z轴方向的厚度在100nm-1000µm范围。
导电沟道层13，高浓度的二维电子气，其载体材料为石墨烯，石墨烯的层数为1-50。
势垒层14，为SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3中的一种，势垒层厚度为3nm-500nm。
源漏金属电极17，沿Y轴方向覆盖阵列导电沟道结构的左右两端，左端为源极，右端为漏极。
上述太赫兹波探测器的工作频率在107Hz-1014Hz之间。
实施例2
如图3和图4所示，具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，包括从下往上（图中Z轴方向）依次设置的衬底11、缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14、光栅栅极16，以及设于势垒层14两侧的漏金属电极17，缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构，光栅栅极由一个以上的栅极组成，并且每个栅极的径向与阵列导电沟道结构的条形阵列的径向垂直；还包括设于势垒层14两侧上方的帽层15，所述漏金属电极17制作在该帽层上，光栅栅极16则位于帽层15之间。
在本实施例中，阵列导电沟道结构18为由缓冲层12、导电沟道层13、势垒层14形成的脊型条形阵列结构，并且阵列导电沟道结构的条形宽度为100 nm-3 mm，阵列周期宽度为150 nm-10 mm，周期数为3-50，光栅栅极的厚度为10nm-500nm，单个栅极的宽度为10nm-3mm，周期长度为20nm-10mm，周期数目为1-50。
衬底11，材料为GaAs或者InP，沿Z轴方向的厚度在100nm-1000µm范围。
缓冲层12，非掺杂的高阻i- InGaAs，沿Z轴方向的厚度在100nm-1000µm范围。
导电沟道层13，高浓度的二维电子气，其载体材料为i- InGaAs，厚度为0.1nm-100nm。
势垒层14，为包含了i-InP截至层的delta-掺杂i- InAlAs，其中i-InP截至层的厚度为3nm-100nm，势垒层厚度为3nm-500nm。
帽层15，材料为n-InGaAs，厚度为3nm-500nm。
源漏金属电极17，沿Y轴方向覆盖阵列导电沟道结构的左右两端，左端为源极，右端为漏极。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，包括从下往上依次设置的衬底(11)、缓冲层(12)、导电沟道层(13)、势垒层(14)、光栅栅极(16)，以及设于势垒层(14)两侧的漏金属电极(17)，导电沟道层(13)包含二维电子气；所述缓冲层(12)、导电沟道层(13)、势垒层(14)组成具有条形阵列结构的阵列导电沟道结构，所述光栅栅极由一个以上的栅极组成，并且每个栅极的径向与阵列导电沟道结构的条形阵列的径向垂直；
所述缓冲层(12)、导电沟道层(13)、势垒层(14)中的其中一层或两层形成脊型条形阵列结构，当只有导电沟道层(13)形成脊型条形阵列结构时，导电沟道层(13)位于缓冲层(12)与势垒层(14)之间形成埋层结构。
2.根据权利要求1所述的具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述阵列导电沟道结构的条形宽度为100nm-3mm，阵列周期宽度为150nm-10mm，周期数为3-50。
3.根据权利要求1所述的具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述光栅栅极的厚度为10nm-500nm，单个栅极的宽度为10nm-3mm，周期长度为20nm-10mm，周期数为1-50。
4.根据权利要求1所述的具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述阵列导电沟道结构填充介质，填充介质为SiO2、HfO2、ZrO2或Y2O3。
5.根据权利要求1所述的具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述漏金属电极(17)制作在势垒层(14)两侧端部并且底部制作在导电沟道层(13)上。
6.根据权利要求1所述的具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括设于势垒层(14)两侧上方的帽层(15)，所述漏金属电极(17)制作在该帽层上。
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Legal Events
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Granted publication date: 20171020 Termination date: 20201109 |
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