CN112216765A - 一种基于超表面光学天线的射频信号探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面光学天线的射频信号探测器及其制备方法，包括自下而上依次放置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；超表面光学天线层为宽度为5～100mm的金属阵列，对入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有极强的局域表面等离激元效应，用于探测射频S波段、C波段或X波段的信号；金属阵列为平面结构或立体结构，由周期性排列的微米基元构成；微米基元为微米结构，体积小，能够在极短时间内产生极强的响应信号，可以以较小的体积实现响应速度较快的射频波段信号的探测。

Description

一种基于超表面光学天线的射频信号探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于信号探测技术领域，更具体地，涉及一种基于超表面光学天线的射频信号探测器及其制备方法。
背景技术
射频S波段、C波段或X波段信号的探测在机场安检系统、通信、雷达和气象等众多领域都有着广泛地应用。
常见的射频S波段、C波段或X波段的探测器包括扫描子系统、接收机子系统和定标子系统。其探测装置需配置复杂精密的饲服、驱动或扫描机构，体积和质量大，响应慢。另外，现有的射频射频S波段、C波段或X波段的探测器阵列规模较小，像元较少，多为窄波段探测，其谱探测范围不能轻易扩展。因此在要求高速、高灵敏度、多谱信号探测的场合下，现有的射频信号探测器的性能存在不足。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面光学天线的射频信号探测器及其制备方法，其目的在于解决现有技术其目的在于解决现有技术存在的体积大和响应慢的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于超表面光学天线的射频信号探测器，包括自下而上依次设置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；其中，超表面光学天线层分别与肖特基电极和普通电极相连，其内部缝隙由二氧化硅层填充；
超表面光学天线层为宽度为5～100mm的金属阵列，对于入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有局域表面等离激元效应，用于探测射频S波段、C波段或X波段的信号；该金属阵列为平面结构或立体结构，由周期性排列的微米基元构成；所述微米基元为微米结构。
进一步优选地，微米基元间的间距为50～500微米。
进一步优选地，微米基元与掺杂层平行时，金属阵列为平面结构，此时，微米基元为弧形结构，其弧度为10～120度，长度为10～500微米，宽度为50～500微米。
进一步优选地，微米基元与掺杂层垂直时，金属阵列为立体结构，此时，微米基元为圆锥形结构或上底面为弧形的棱台结构。
进一步优选地，微米基元为上底面为弧形的直立棱台结构时，其棱边的数目为3或者4，上底面的弧度为10～180度，下底面边长为10～100微米，斜高为1～100微米；
微米基元为圆锥形结构时，其底面直径为10～100微米，高度为1～100微米，锥角角度为10～60度。
进一步优选地，通过施加带负载电阻的电压于所述肖特基电极和所述普通电极上，或者施加带负载电阻的电压于所述肖特基电极和所述普通电极上，来增强所述超表面光学天线层中微米基元上的信号强度，从而实现射频S波段、C波段或X波段信号的探测。
进一步优选地，上述微米基元的材料为钛和金。
进一步优选地，上述欧姆电极的材料为镍、锗和金，厚度分别为25nm、250nm和25nm；上述肖特基电极的材料为钛和金，厚度分别为20nm和200nm；上述普通电极制作材料为钛和金，厚度分别为20nm和200nm。
第二方面，本发明提供了一种本发明第一方面所提出的基于超表面光学天线的射频信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；
S2、在掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
S3、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，生成欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层欧姆接触的欧姆电极；
S4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，形成肖特基接触孔；
S5、在二氧化硅层上采用正胶工艺光刻金属阵列上各微米基元所组成的图形，并采用电子束蒸发法在肖特基接触孔处形成与掺杂层肖特基接触的各微米基元，得到宽度为5～100mm的金属阵列，从而得到超表面光学天线层；
S6、在二氧化硅层上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极和普通电极。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出了一种基于超表面光学天线的射频信号探测器，其中，超表面光学天线层为宽度为5～100mm的金属阵列，金属阵列由周期性排列的微米基元构成(微米基元为微米结构)，在1mm2尺寸内可以集成数千～数万个微米基元，体积小，且对入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有极强的局域表面等离激元感应能力，可以产生局域表面等离激元振荡，能够在极短时间内产生极强的响应信号，可以以较小的体积实现响应速度较快的射频信号的探测，具有高效微型化宽谱信号探测的能力。
2、本发明所提出的一种基于超表面光学天线的射频信号探测器，在探测过程中，通过施加带负载电阻的电压于肖特基电极和普通电极上或者施加反向直流偏压于欧姆电极和肖特基电极上，增强超表面光学天线层中微米基元上的信号强度，实现射频S/C/X波段信号的探测；即只需要低压直流或交流信号等少量电子资源辅助其进行工作，从而大大节省了外围电路资源，操作简单。
附图说明
图1是本发明实施例1所提供的一种基于超表面光学天线的射频信号探测器的纵向剖面示意图；
图2是本发明实施例1所提供的一种基于超表面光学天线的射频信号探测器的俯视示意图；
图3是本发明实施例1所提供的弧形结构的微米基元的结构示意图；
图4是本发明实施例1提供的直立金属阵列及其详细结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种基于超表面光学天线的射频信号探测器，如纵向剖面图图1和俯视图图2所示，其中，包括自下而上依次设置的衬底1、掺杂层2和二氧化硅层3，制作于掺杂层2之上与掺杂层2形成肖特基接触的超表面光学天线层4，制作于掺杂层2之上与掺杂层2形成欧姆接触的欧姆电极5，以及位于二氧化硅层3的上表面的肖特基电极6和普通电极7；其中，超表面光学天线层4分别与肖特基电极6和普通电极7相连，其内部缝隙由二氧化硅层3填充，以实现绝缘；具体的，本实施例中，衬底1可选用但不限于砷化镓衬底或硅衬底，厚度为200～500μm；掺杂剂可以为五价杂质元素磷(P)或三价杂质元素硼(B)；当衬底为砷化镓衬底时，通过掺杂五价杂质元素磷(P)，所得掺杂层2为N型砷化镓层；当衬底1为砷化镓衬底时，通过掺杂三价杂质元素硼(B)，所得掺杂层2为P型砷化镓层。通过同样的方式也可得到N型硅层或P型硅层的掺杂层。本实施例中，掺杂剂的掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，掺杂层2的厚度为1um～2um，二氧化硅层3的厚度为100～300nm。欧姆电极5的材料可选用但不限于镍、锗和金，厚度分别为25nm、250nm和25nm；肖特基电极6的材料可选用但不限于钛和金，厚度分别为20nm和200nm；普通电极7制作材料可选用但不限于钛和金，厚度分别为20nm和200nm；其中，肖特基电极6与超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm，普通电极7与超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm。
超表面光学天线层4为宽度为5～100mm的金属阵列，对于入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有局域表面等离激元效应，用于探测射频S波段、C波段或X波段的信号；该金属阵列为平面结构或立体结构，由周期性排列的微米基元构成，微米基元间的间距为50～500微米；其中，二氧化硅层的二氧化硅将微米基元之间的缝隙进行绝缘处理；所述微米基元为微米结构，材料可以为钛和金，各微米基元之间通过金属片或金属线相连。具体的，微米基元与掺杂层平行时，金属阵列为平面结构，此时，微米基元为弧形结构，如图3所示，其弧度为10～120度，长度为10～500微米，宽度为50～500微米。微米基元与掺杂层垂直时，金属阵列为立体结构，此时，微米基元为圆锥形结构或上底面为弧形的棱台结构。对于上底面为弧形的棱台结构的微米基元，其棱边的数目为3或者4，如图4所示，本实施例中棱边的数目为4，上底面的弧度β为10～180度，下底面边长a1、b1为10～100微米，斜高h为1～100微米。对于圆锥形结构的微米基元，其底面直径为10～100微米，高度为1～100微米，锥角角度为10～60度。需要说明的是，本实施例中的图示仅作示例子，并不等同于实际的金属阵列。
本发明中将金属阵列的尺寸为设计为毫米至厘米级尺寸(具体的，金属阵列的宽度为5～100mm)，并且为微米基元设置相应的几何参数，使得金属阵列对入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁波信号8具有极强的局域表面等离激元感应能力，从而迅速获得射频S波段、C波段或X波段的信号的探测能力。
进一步地，在实际探测过程中，在常规背景以及环境信号干扰较小情况下，通过施加带负载电阻的2V电压于肖特基电极6和普通电极7上，增强微米基元电子浓度和信号强度，微米基元可以探测到射频S波段、C波段或X波段的电磁波信号；在入射电磁波信号较弱情况下，通过施加0.1～5V反向直流偏压于欧姆电极5和肖特基电极6上，使得超表面光学天线层4的金属与掺杂层2接触区域的耗尽层宽度增大，增强所述超表面光学天线层中微米基元上的信号强度，从而实现射频S波段、C波段或X波段信号的精确探测。
实施例2、
一种本发明实施例1所提出的基于超表面光学天线的射频信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子(掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3)，形成厚度为1um～2um掺杂层；具体的，本实施例中，以半绝缘砷化镓为衬底，掺杂剂为五价杂质元素磷(P)，掺杂层为N型砷化镓为；
S2、在掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备厚度为200nm～400nm的二氧化硅层；
S3、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层(其厚度分别为20～80nm/100～300nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层欧姆接触的欧姆电极；
S4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，形成肖特基接触孔；
S5、在二氧化硅层上采用正胶工艺光刻金属阵列上各微米基元所组成的图形，并采用电子束蒸发法在肖特基接触孔处形成与掺杂层肖特基接触的各微米基元，得到宽度为5～100mm的金属阵列，从而得到超表面光学天线层；
S6、在二氧化硅层上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层(其厚度分别为100～250nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极和普通电极。
需要说明的是，上述欧姆电极接触孔图形、肖特基电极图形、普通电极图形、金属阵列上各微米基元所组成的图形及其相对位置关系均是预先设定好的，具体参数可参照实施例1。
本发明采用了普通电路和肖特基二极管一体化结构，其以超表面光学天线层的金属阵列作为感光(波)介质，通过微米基元上的局域表面等离激元效应获得信号探测能力，通过上述制备方案集成于以单片砷化镓为衬底的器件中，得到射频S波段、C波段或X波段信号探测器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超表面光学天线的射频信号探测器，其特征在于，包括：自下而上依次放置的衬底、掺杂层和二氧化硅层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成肖特基接触的超表面光学天线层，制作于掺杂层之上与掺杂层形成欧姆接触的欧姆电极，以及位于二氧化硅层的上表面的肖特基电极和普通电极；其中，所述超表面光学天线层分别与所述肖特基电极和所述普通电极相连，其内部缝隙由所述二氧化硅层填充；
所述超表面光学天线层为宽度为5～100mm的金属阵列，对于入射的射频S波段、C波段或X波段的电磁信号具有局域表面等离激元效应，用于探测射频S波段、C波段或X波段的信号；所述金属阵列为平面结构或立体结构，由周期性排列的微米基元构成；所述微米基元为微米结构。
2.根据权利要求1所述的射频信号探测器，其特征在于，所述微米基元间的间距为50～500微米。
3.根据权利要求1所述的射频信号探测器，其特征在于，所述微米基元与所述掺杂层平行时，所述金属阵列为平面结构，此时，所述微米基元为弧形结构，其弧度为10～120度，长度为10～500微米，宽度为50～500微米。
4.根据权利要求1所述的射频信号探测器，其特征在于，所述微米基元与所述掺杂层垂直时，所述金属阵列为立体结构，此时，所述微米基元为圆锥形结构或上底面为弧形的棱台结构。
5.根据权利要求4所述的射频信号探测器，其特征在于，所述微米基元为上底面为弧形的直立棱台结构时，其棱边的数目为3或者4，上底面的弧度为10～180度，下底面边长为10～100微米，斜高为1～100微米；
所述微米基元为圆锥形结构时，其底面直径为10～100微米，高度为1～100微米，锥角角度为10～60度。
6.根据权利要求1所述的射频信号探测器，其特征在于，通过施加带负载电阻的电压于所述肖特基电极和所述普通电极上，或者施加带负载电阻的电压于所述肖特基电极和所述普通电极上，来增强所述超表面光学天线层中微米基元上的信号强度，从而实现射频S波段、C波段或X波段信号的探测。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的射频信号探测器，其特征在于，所述微米基元的材料为钛和金。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的射频信号探测器，其特征在于，所述欧姆电极的材料为镍、锗和金，厚度分别为25nm、250nm和25nm；所述肖特基电极的材料为钛和金，厚度分别为20nm和200nm；所述普通电极制作材料为钛和金，厚度分别为20nm和200nm。
9.一种权利要求1所述的射频信号探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；
S2、在掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
S3、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，生成欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层欧姆接触的欧姆电极；
S4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，形成肖特基接触孔；
S5、在二氧化硅层上采用正胶工艺光刻金属阵列上各微米基元所组成的图形，并采用电子束蒸发法在肖特基接触孔处形成与掺杂层肖特基接触的各微米基元，得到宽度为5～100mm的金属阵列，从而得到超表面光学天线层；
S6、在二氧化硅层上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极和普通电极。
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