CN108133977B - 优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，包括如下步骤：将阻挡杂质带探测器封装至恒温器中；测得不同工作温度下阻挡杂质带探测器的背景电流IBG随正电极偏压U变化的曲线，并确定探测器的击穿电压UBD；获取背景电流IBG随阻挡杂质带探测器的工作温度T变化的曲线IBG(T)；测量得到不同工作温度下阻挡杂质带探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线；获取黑体响应电流IBB随阻挡杂质带探测器工作温度T变化的曲线IBB(T)；根据探测器优值因子随探测器工作温度变化的曲线确定最佳工作温度。本发明对制备的阻挡杂质带探测器进行数据采集及数据处理得到最佳工作温度，进而根据优化后的结果设置阻挡杂质带探测器的工作温度，性能将具有最优值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测技术，具体地，涉及一种优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法。
背景技术
太赫兹辐射通常是指光子频率介于0.3到10THz之间的电磁波，它在广阔的电磁波谱中位于微波与红外之间。太赫兹波具有穿透性强、安全性好、分辨率高等优良特性，近年来，由于太赫兹技术的兴起，其重要性及应用价值逐渐受到世界各国的普遍认可。当前，太赫兹技术已广泛应用于成像及光谱探测领域，尤其在安全检查、无损探伤、成分鉴定、大气监测及天文观测领域发挥了重要作用。
纵观历史，太赫兹技术在很长一段时间内处于停滞发展的状态。究其原因，主要由于当时缺乏性能良好的太赫兹探测器，因此严重制约了其在成像及光谱探测领域的应用。后来，由于材料及加工技术的突飞猛进，太赫兹探测器的性能取得了一定突破，并由此带来了太赫兹技术领域的蓬勃发展。当前，研制高性能探测器仍然是推动太赫兹技术进一步发展的核心动力。
阻挡杂质带(BIB)探测器是一种新型的太赫兹探测器，与其它太赫兹探测器相比，它具有灵敏度高、阵列规模大、响应谱段宽等优势。BIB探测器可以基于不同的材料体系(包括：硅、锗及砷化镓)得以实现。其中，硅基BIB探测器具有6THz的截止频率，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的BIB探测器。由于锗材料中浅杂质能级的束缚能普遍低于硅材料中的情况，锗基BIB探测器的截止频率可达1.4THz。砷化镓基BIB探测器可以进一步延伸截止频率至0.7THz，因此在安全检查、毒品监测等安防领域具有特殊的应用价值。
BIB探测器需要工作于液氦温区，通常将其封装于恒温器中，通过恒温器的温控装置调节探测器的工作温度。BIB探测器的性能对温度变化非常敏感，通常存在一个最佳工作温度，可以使得BIB探测器性能达到最优，即对信号具有较高响应率的同时对噪声也具有较低的谱密度。因此，获取最佳工作温度对于BIB探测器的应用至关重要。为了获取最佳工作温度，现有技术是将BIB探测器搭建成演示系统(包括：光学系统、扫描机构等)，通过人工观察演示效果与工作温度的关系来确定探测器的最佳工作温度，该方法具有搭建成本高、调试周期长、随机误差大等缺点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，包括如下步骤：步骤1，制备阻挡杂质带探测器；
步骤2，将阻挡杂质带探测器封装至恒温器中；
步骤3，测得不同工作温度下阻挡杂质带探测器的背景电流IBG随正电极偏压U变化的曲线，并确定探测器的击穿电压UBD；其中
背景电流IBG为300K室温背景辐照下通过阻挡杂质带探测器的直流量，击穿电压UBD为背景电流出现激增时的正电极偏压；
步骤4，选取一个固定偏压UF，获取当正电极偏压U＝UF时，背景电流IBG随阻挡杂质带探测器的工作温度T变化的曲线IBG(T)；其中
UF的绝对值小于击穿电压UBD的绝对值；
步骤5，将黑体辐射从正面垂直照射到阻挡杂质带探测器上，经电流放大器及锁相放大器测量得到不同工作温度下阻挡杂质带探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线；其中
黑体响应电流IBB为黑体辐照下阻挡杂质带探测器产生的信号电流；
步骤6，获取当正电极偏压U＝UF时，黑体响应电流IBB随阻挡杂质带探测器工作温度T变化的曲线IBB(T)；
步骤7，根据探测器优值因子随探测器工作温度变化的曲线确定最佳工作温度；其中
探测器优值因子为IBB/(IBG)1/2。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层和电极层；
步骤1.2，在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。
优选地，步骤1.1包括：
步骤1.1.1，在高导硅衬底上依次生长重掺杂吸收层和本征阻挡层；
步骤1.1.2，在阻挡层上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au双层金属，然后经丙酮剥离后形成光刻标记；
步骤1.1.3，在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入磷离子，然后经快速热退火工艺形成电极层。
优选地，步骤1.2包括：
步骤1.2.1，在电极层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用深硅刻蚀工艺纵向刻蚀以去除窗口区域的电极层、阻挡层和吸收层，直至露出高导硅衬底；
步骤1.2.2，利用光刻工艺分别在电极层和高导硅衬底上获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成正、负欧姆接触电极；
步骤1.2.3，利用光刻工艺分别在电极层和高导硅衬底上再次获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，采用绝缘胶将阻挡杂质带探测器固定于恒温器的热沉的中心；
步骤2.2，采用拉金丝的方式将阻挡杂质带探测器的正电极和负电极分别引至热沉的邻近针脚处；
步骤2.3，采用热沉固定架将热沉与恒温器冷头相连；
步骤2.4，调节恒温器冷头的温度，进而调节阻挡杂质带探测器的工作温度。
优选地，步骤4中，在步骤3中得到的不同探测器工作温度T下背景电流IBG随正电极偏压U变化的曲线中，在绝对值小于击穿电压UBD的范围内，任意选取一个固定偏压UF，得到正电极偏压UF下背景电流IBG随探测器工作温度T变化的曲线。
优选地，所述步骤5包括：
步骤5.1，将黑体辐射从正面垂直照射到阻挡杂质带探测器上；
步骤5.2，设置并记录电流放大器的放大倍率β；
步骤5.3，记录锁相放大器输出的信号电压VS；
步骤5.4，计算探测器的黑体响应电流IBB；其中
黑体响应电流IBB满足IBB＝VS/β；
步骤5.5，改变探测器的工作温度及正电极偏压，重复步骤5.3及步骤5.4，得到不同工作温度下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线。
优选地，步骤6中，在步骤5中得到的不同工作温度T下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线中，设置正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，得到正电极偏压UF下黑体响应电流IBB随探测器工作温度T变化的曲线。
优选地，步骤7中，通过步骤6所得曲线IBB(T)除以步骤4所得曲线IBG(T)，得到探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的曲线。
优选地，所述步骤8中，根据步骤7得到的探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的曲线，将IBB/(IBG)1/2取最大值时所对应的T即为探测器的最佳工作温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明提供的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，首先对制备的阻挡杂质带探测器进行数据采集及数据处理得到最佳工作温度，进而根据优化后的结果设置阻挡杂质带探测器的工作温度，则探测器性能将具有最优值，即对信号具有较高响应率的同时对噪声也具有较低的谱密度，为定量优化阻挡杂质带探测器提供了可靠依据。
2.本发明提供的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，可以针对不同材料体系(包括：硅基、锗基和砷化镓基)及不同外延工艺(包括：气相外延、液相外延和分子束外延)得到的阻挡杂质带探测器提取出相应的最佳工作温度，无需搭建复杂且昂贵的演示系统(包括：光学系统、扫描机构等)，从而可避免为了提高演示效果而对探测器工作温度进行反复调试，因此极大地简化了探测器的调试流程，缩减了调试成本，并提高了调试的准确度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为阻挡杂质带探测器的结构示意图；
图2为不同工作温度下探测器背景电流随正电极偏压变化的一系列曲线；
图3为不同正电极偏压下背景电流随探测器工作温度变化的一系列曲线；
图4为不同工作温度下探测器黑体响应电流随正电极偏压变化的一系列曲线；
图5为不同正电极偏压下黑体响应电流随探测器工作温度变化的一系列曲线；
图6为不同正电极偏压下探测器优值因子随探测器工作温度变化的一系列曲线。
图中：
1-负电极 2-电极层 3-正电极
4-阻挡层 5-吸收层 6-高导硅衬底
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的优化阻挡杂质带(BIB)探测器工作温度的方法，该方法通过数据采集及数据处理得到BIB探测器背景电流及黑体响应电流随正电极偏压变化的规律。为了使探测器对信号具有较高响应率的同时对噪声也具有较低的谱密度，定义黑体响应电流与背景电流的平方根之商为探测器优值因子，通过分析探测器优值因子随探测器工作温度变化的规律确定了探测器的最佳工作温度。如图1至图6所示，其步骤如下：
步骤S1：制备阻挡杂质带(BIB)探测器；
即在高导衬底6上依次形成吸收层5、阻挡层4和电极层2，然后在电极层2上形成正电极3，以及在高导衬底6上形成负电极1；具体地，如图1所示，在N型高导硅衬底6上依次形成重掺杂的N型吸收层5、本征的阻挡层4和重掺杂的N型电极层2，然后在N型电极层2上形成正电极3，以及在高导硅衬底6上形成负电极1。
更进一步地，硅基阻挡杂质带(BIB)探测器的制备工艺，包括如下步骤：
步骤A1：在450μm厚的高导硅衬底6上依次生长30μm厚的重掺杂吸收层5和8μm厚的本征阻挡层4，其中衬底、吸收层5和阻挡层4的掺杂浓度分别为2×1019cm-3、5×1017cm-3和2.5×1014cm-3；
步骤A2：在阻挡层4上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au双层金属，然后经丙酮剥离后形成光刻标记；
步骤A3：在阻挡层4上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入磷离子，然后经快速热退火工艺形成电极层2；
步骤A4：在电极层2上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用深硅刻蚀工艺纵向刻蚀40μm以去除窗口区域的电极层2、阻挡层4和吸收层5，直至露出高导硅衬底6；
步骤A5：利用光刻工艺分别在电极层2和高导硅衬底6上获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成正、负欧姆接触电极；
步骤A6：利用光刻工艺分别在电极层和高导硅衬底6上再次获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。
步骤S2：将BIB探测器封装至恒温器中，该恒温器可通过温控装置调节探测器的工作温度；
具体地，首先采用绝缘胶将硅基BIB探测器固定于热沉中心，然后采用拉金丝的方式将探测器正电极和负电极分别引至热沉的邻近针脚处，紧接着采用热沉固定架将热沉与恒温器冷头相连，最后采用温控设备调节恒温器冷头的温度，从而达到调节探测器工作温度的目的。
步骤S3：由恒流源测量单元得到不同工作温度下BIB探测器的背景电流IBG随正电极偏压U变化的一系列曲线，并由此确定探测器的击穿电压UBD，其中，所述背景电流IBG即为300K室温背景辐照下通过探测器的直流量，所述击穿电压UBD即为背景电流出现激增时的正电极偏压；具体地，如图2所示，并由此确定探测器的击穿电压UBD＝4V。
步骤S4：在绝对值小于击穿电压UBD的范围内，任意选取一个固定偏压UF，获取当正电极偏压U＝UF时，背景电流IBG随探测器工作温度T变化的曲线IBG(T)；
具体地，在步骤S3中得到的不同探测器工作温度T下背景电流IBG随正电极偏压U变化的一系列曲线中，在绝对值小于4V的范围内，选取
UF＝0.5V,0.75V,1V,1.25V,1.5V,1.75V,2V,2.25V,2.5V,2.75V共10组数据，得到不同正电极偏压UF下背景电流IBG随探测器工作温度T变化的10组曲线(图3)，如图3所示，背景电流IBG是探测器工作温度T的单调增加函数。
步骤S5：将黑体辐射从正面垂直照射到BIB探测器上，经电流放大器及锁相放大器测量得到不同工作温度下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的一系列曲线，其中，所述黑体响应电流IBB即为黑体辐照下BIB探测器产生的信号电流；
具体地，步骤S5包括如下步骤：
步骤B1：将黑体辐射从正面垂直照射到BIB探测器上；
步骤B2：设置并记录电流放大器的放大倍率β；
步骤B3：记录锁相放大器输出的信号电压VS；
步骤B4：根据公式IBB＝VS/β计算探测器的黑体响应电流IBB；
步骤B5：改变探测器的工作温度及正电极偏压，重复步骤B3及步骤B4，得到不同工作温度下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的一系列曲线(如图4所示)。
步骤S6：获取当正电极偏压U＝UF时，黑体响应电流IBB随探测器工作温度T变化的曲线IBB(T)；
具体地，在步骤S5中得到的不同工作温度T下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的一系列曲线中，分别设置正电极偏压U为步骤4所述的
UF＝0.5V,0.75V,1V,1.25V,1.5V,1.75V,2V,2.25V,2.5V,2.75V共10组数据，得到正电极偏压UF下黑体响应电流IBB随探测器工作温度T变化的10组曲线(图5)，如图5所示，黑体响应电流IBB随探测器工作温度T先单调增加，然后趋于饱和。
步骤S7：定义探测器优值因子，并获取探测器优值因子随探测器工作温度变化的曲线；具体地，定义黑体响应电流IBB与背景电流IBG的平方根之商，即IBB/(IBG)1/2为探测器优值因子；
更进一步地，通过步骤S6所得曲线IBB(T)除以步骤S4所得曲线IBG(T)，分别得到当UF＝0.5V,0.75V,1V,1.25V,1.5V,1.75V,2V,2.25V,2.5V,2.75V时，探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的10组曲线。其中，选择IBB/(IBG)1/2作为探测器优值因子的理由如下：
信号响应率R正比于黑体响应电流IBB，即R∝IBB；
噪声谱密度ni正比于背景电流的平方根(IBG)1/2，即ni∝(IBG)1/2；
信噪比R/ni正比于黑体响应电流与背景电流的平方根之商IBB/(IBG)1/2，即
R/ni∝IBB/(IBG)1/2；因此，选择IBB/(IBG)1/2作为探测器优值因子可以直接表征探测器的信噪比。
步骤S8：根据探测器优值因子随探测器工作温度变化的曲线确定最佳工作温度；
具体地，如图6所示，根据步骤S7得到的探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的10组曲线，当T＝14K时，IBB/(IBG)1/2可取最大值，而且与固定偏压UF(满足UF<UBD)的取值无关。因此，将T＝14K确定为探测器的最佳工作温度。
步骤S9：根据步骤S8所得结果设置阻挡杂质带探测器的工作温度T＝14K，则探测器性能将具有最优值，即对信号具有较高响应率的同时对噪声也具有较低的谱密度。至此完成阻挡杂质带探测器工作温度的优化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备阻挡杂质带探测器；
步骤2，将阻挡杂质带探测器封装至恒温器中；
步骤3，测得不同工作温度下阻挡杂质带探测器的背景电流IBG随正电极偏压U变化的曲线，并确定探测器的击穿电压UBD；其中
背景电流IBG为300K室温背景辐照下通过阻挡杂质带探测器的直流量，击穿电压UBD为背景电流出现激增时的正电极偏压；
步骤4，选取一个固定偏压UF，获取当正电极偏压U＝UF时，背景电流IBG随阻挡杂质带探测器的工作温度T变化的曲线IBG(T)；其中
UF的绝对值小于击穿电压UBD的绝对值；
步骤5，将黑体辐射从正面垂直照射到阻挡杂质带探测器上，经电流放大器及锁相放大器测量得到不同工作温度下阻挡杂质带探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线；其中
黑体响应电流IBB为黑体辐照下阻挡杂质带探测器产生的信号电流；
所述步骤5包括：
步骤5.1，将黑体辐射从正面垂直照射到阻挡杂质带探测器上；
步骤5.2，设置并记录电流放大器的放大倍率β，所述的放大倍率β为电流放大器的互阻放大倍率，其量纲为电阻，且定义为电流放大器的输出电压与输入电流之比；
步骤5.3，记录锁相放大器输出的信号电压VS；其中信号电压VS等于步骤5.2所述的电流放大器的输出电压；
步骤5.4，计算探测器的黑体响应电流IBB；其中
黑体响应电流IBB等于步骤5.2所述的电流放大器的输入电流，根据步骤5.2所述的放大倍率β的定义，黑体响应电流IBB满足IBB＝VS/β；
步骤5.5，改变探测器的工作温度及正电极偏压，重复步骤5.3及步骤5.4，得到不同工作温度下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线；
在步骤5中得到的不同工作温度T下探测器的黑体响应电流IBB随正电极偏压U变化的曲线中，设置正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，得到正电极偏压UF下黑体响应电流IBB随探测器工作温度T变化的曲线；
步骤6，获取当正电极偏压U＝UF时，黑体响应电流IBB随阻挡杂质带探测器工作温度T变化的曲线IBB(T)；
步骤7，根据探测器优值因子随探测器工作温度变化的曲线确定最佳工作温度；其中
探测器优值因子为IBB/(IBG)1/2；
通过步骤6所得曲线IBB(T)除以步骤4所得曲线IBG(T)，得到探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的曲线；
根据步骤7得到的探测器优值因子IBB/(IBG)1/2随探测器工作温度T变化的曲线，将IBB/(IBG)1/2取最大值时所对应的T即为探测器的最佳工作温度。
2.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1.1，在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层和电极层；
步骤1.2，在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。
3.根据权利要求2所述的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，步骤1.1包括：
步骤1.1.1，在高导硅衬底上依次生长重掺杂吸收层和本征阻挡层；
步骤1.1.2，在阻挡层上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au双层金属，然后经丙酮剥离后形成光刻标记；
步骤1.1.3，在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入磷离子，然后经快速热退火工艺形成电极层。
4.根据权利要求3所述的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，步骤1.2包括：
步骤1.2.1，在电极层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用深硅刻蚀工艺纵向刻蚀以去除窗口区域的电极层、阻挡层和吸收层，直至露出高导硅衬底；
步骤1.2.2，利用光刻工艺分别在电极层和高导硅衬底上获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成正、负欧姆接触电极；
步骤1.2.3，利用光刻工艺分别在电极层和高导硅衬底上再次获得正电极和负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。
5.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2.1，采用绝缘胶将阻挡杂质带探测器固定于恒温器的热沉的中心；
步骤2.2，采用拉金丝的方式将阻挡杂质带探测器的正电极和负电极分别引至热沉的邻近针脚处；
步骤2.3，采用热沉固定架将热沉与恒温器冷头相连；
步骤2.4，调节恒温器冷头的温度，进而调节阻挡杂质带探测器的工作温度。
6.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器工作温度的方法，其特征在于，步骤4中，在步骤3中得到的不同探测器工作温度T下背景电流IBG随正电极偏压U变化的曲线中，在绝对值小于击穿电压UBD的范围内，任意选取一个固定偏压UF，得到正电极偏压UF下背景电流IBG随探测器工作温度T变化的曲线。
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