CN113517373A - 一种碲基室温太赫兹探测器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲基室温太赫兹探测器件，器件具有金属‑半导体‑金属结构，半导体选用碲纳米片材料，选用钛和金做金属电极。Te太赫兹探测器在室温下斩波频率1kHz，172GHz的工作频率下响应时间仅为9.7μs，响应率高达600kV/W，在1V偏置和1kHz调制频率下的NEP低于0.1pW/Hz0 . 5。探测器经过被两次加热至200℃20分钟再冷却后，响应基本保持不变。Te太赫兹探测器具有以下优点：1、结构简单；2、可室温工作；3、器件灵敏度高；4、响应速度快；5、稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测领域，具体是指一种碲基室温太赫兹探测器件。
背景技术
太赫兹(THz)覆盖0.1～10太赫兹的范围，是介于红外和微波之间的空隙波段[1]。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性，有很大的潜在应用价值。目前红外和微波探测技术已经发展较成熟，而太赫兹波是人类迄今为止了解较少，开发较少的一个波段，亟需发展可高温工作、灵敏度高的太赫兹探测器。
碲(Te)是一种重要的p型窄带隙半导体，带隙为0.3eV，稳定性好。曾被制备成光电导型探测器，1961年理论上计算在3.4μm处的碲探测器的NEP值可以达到3.1×10-13W[2]。这种光电探测存在着波长(光子能量)选择性的问题，探测波段取决于带隙的大小，并且在中远红外电磁波段，由于热噪声能量的存在，热噪声激发与光学激发形成竞争机制，从而探测效率显著下降，需要低温(4.2K，77K)甚至是深低温(100-300mK)制冷。本发明基于新提出的光诱导势阱效应新机理，设计了一种基于Te材料的金属-半导体-金属(MSM)结构太赫兹探测器件[3]。当用0.7meV能量(远小于Te禁带宽度0.3eV)的光子入射到设计的金属-半导体-金属(MSM)结构上时，将在Te材料中诱导产生势阱。金属电极中的自由电子将进入半导体材料Te中，并被诱导产生的势阱束缚，使得Te中载流子浓度发生改变，材料的电导率也相应发生改变。通过外加偏置电场读出信号，进而实现太赫兹波段的室温高灵敏度探测。
以上涉及的参考文献如下：
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发明内容
针对远红外太赫兹波段探测器探测率灵敏度低、结构复杂、需深低温制冷等问题，本发明设计了一种碲基室温太赫兹探测器件，该探测器可实现探测光子能量远小于碲的禁带宽度、探测器灵敏度高、响应速度快，稳定性好且可室温工作。
本发明一种碲基室温太赫兹探测器件采用高阻硅衬底1，衬底上有一层自然氧化的二氧化硅层2，将碲纳米片3转移到二氧化硅层2上，然后在碲纳米片上制备左右对称的蝶形正电极层4和蝶形负电极层5；
所述的高阻硅衬底1厚度为0.5mm，电阻率10000Ω·cm；
所述的自然氧化的二氧化硅2厚度25nm；
所述的碲纳米片3是用化学气相沉积法制备的单晶材料，纳米片厚度为300-500nm，宽度为5-10μm，长度为10-30μm；
所述的蝶形正电极层4和蝶形负电极层5都采用30nm厚的钛和300nm厚的金，先溅射钛再溅射金，由钛和金正负电极层覆盖在碲纳米片3形成的台阶的表面和边缘，形成金属-半导体-金属结构，并在接触处形成欧姆接触，其中大部分的电极层都生长在台阶两侧的表面上；蝶形正电极层4和蝶形负电极层5围绕器件两边分别呈
和
形状镜像对称分布；所述的蝶形正电极层4和蝶形负电极层5的上端面形成左右对称的蝶形天线，具体尺寸为：电极宽度w为500μm，两端总长度l为4000μm，电极间距a即敏感元长度为5-10μm，与敏感元接触处的电极宽度即敏感元宽度b为5-10μm。
探测器的俯视示意图如附图1所示，器件中心处的截面及平面示意图如图2所示，1为高阻硅，2为自然氧化的二氧化硅，3为碲纳米片，4为钛金正电极层，5为钛金负电极层。
本发明所设计的探测器结构通过以下具体的工艺步骤来实现：
1.衬底选择
选用高阻硅(Si)衬底，衬底表面有一层自然氧化的二氧化硅(SiO2)。
2.碲纳米片的制备和转移
采用化学气相沉积法制备了碲纳米片，通过机械剥离将碲纳米片转移到衬底表面。
3.光刻
在转移了碲纳米的硅衬底样品表面旋涂一层光刻胶，将样品放入干燥器中干燥，用蝶形掩膜板掩盖住电极后用光刻机进行曝光。
4.显影
将曝光好的样品放入配好的显影液中进行显影，显影好后取出样品放入干燥箱中进行后烘处理。
5.溅射电极
将样品放入双离子束溅射室中，依次溅射一定厚度的钛和金。
6.剥离
将样品放入装有丙酮溶液的烧杯中，在水浴中加热后，多余的金属膜会脱落。
附图说明
附图1为探测器俯视示意图。
附图2为器件中心处的截面及平面示意图。
附图中标号：1为高阻硅衬底，2为自然氧化的二氧化硅层，3为碲纳米片，4蝶形正电极层，5蝶形负电极层。
附图3为探测器在室温下斩波频率1kHz，172GHz的工作频率下响应波形图。
附图4为169-173GHz范围内的Te太赫兹探测器的响应度和噪声等效功率。
附图5为器件被两次加热至200℃20分钟再冷却后的波形图。
具体实施方式
依照附图1所示的结构，制作了三种类型实施例探测器件。
实施例探测器1采用高阻硅衬底，衬底厚度为0.5mm，电阻率10000Ω·cm，衬底上有一层25nm厚的二氧化硅层，将Te纳米片利用机械剥离的方法转移到二氧化硅层上，在转移了Te纳米片的样品表面，利用光刻及双离子束溅射制备蝶形正电极层和负电极层，溅射时先溅射30nm厚的钛，再溅射300nm厚的金，电极宽度为500μm，两端总长度为4000μm，电极间距即敏感元长度为5μm，与敏感元接触处的电极宽度即敏感元宽度为5μm。
实施例探测器2采用高阻硅衬底，衬底厚度为0.5mm，电阻率10000Ω·cm，衬底上有一层25nm厚的二氧化硅层，将Te纳米片利用机械剥离的方法转移到二氧化硅层上，在转移了Te纳米片的样品表面，利用光刻及双离子束溅射制备蝶形正电极层和负电极层，溅射时先溅射30nm厚的钛，再溅射300nm厚的金，电极宽度为500μm，两端总长度为4000μm，电极间距即敏感元长度为5μm，与敏感元接触处的电极宽度即敏感元宽度为10μm。
实施例探测器3采用高阻硅衬底，衬底厚度为0.5mm，电阻率10000Ω·cm，衬底上有一层25nm厚的二氧化硅层，将Te纳米片利用机械剥离的方法转移到二氧化硅层上，在转移了Te纳米片的样品表面，利用光刻及双离子束溅射制备蝶形正电极层和负电极层，溅射时先溅射30nm厚的钛，再溅射300nm厚的金，电极宽度为500μm，两端总长度为4000μm，电极间距即敏感元长度为10μm，与敏感元接触处的电极宽度即敏感元宽度为10μm。
下面提供通过介绍具体实验步骤对本发明作进一步的详细说明。
1.碲纳米片材料的制备
将氡前驱体放入石英舟中，然后将此石英舟放置在管式炉腔内的高温反应区；将倒置的Si/SiO2衬底放置在石英舟上，然后将此石英舟放置在低温生长区。抽真空后，抽入氩气，排出石英管中的残余空气。在反应过程中，氩气以40sccm的流速连续流入。在两个温度区，从室温到200℃需要20分钟，然后过30分钟，高温区可以到520℃，低温区到450℃。两个温度区域的温度保持180分钟。最后，经过50分钟后，温度下降到室温时即可将生长在衬底上的Te纳米片取出。
2.碲基室温太赫兹探测器的制备
利用机械剥离的方法将碲纳米片转移到高阻硅衬底上，在该样品上旋涂光致抗蚀剂AZ4330。旋涂参数：转速4000转/秒，时间30秒。然后将样品放入干燥器中干燥25分钟，温度为65℃。干燥后，使用掩模和紫外光刻机SUSS MJB4来制作电极，其中时间为6秒。用显影液进行显影，显影液比例按AZ400K:去离子水＝1:4的比例配置，显影时间为30秒。显影后，将样品放入烘干机中进行烘干，参数与预烘相同。然后将样品放入双离子束溅射室中，分别溅射厚度为30nm和300nm的Ti和Au。然后将样品放入装有丙酮溶液的烧杯中，在水浴中加热至50℃。30分钟后，剥离多余的金属膜。
3.碲基室温太赫兹探测器的性能测试
利用太赫兹测试系统测试探测器的性能。调制的太赫兹垂直均匀地照射在探测器表面。源的出口距离探测器30厘米，探测器安装在测试箱上。在探测器检测到太赫兹波后，响应电压信号由前置放大器放大，最终由锁相放大器读出。图3为Te太赫兹探测器在室温下斩波频率1kHz，172GHz的工作频率下响应波形图，响应时间为9.7μs。
为了进一步表征器件性能，测量了室温下169-173GHz范围内的Te太赫兹探测器在不同偏压下的响应。在1kHz的调制频率和1V的偏压下，器件在172GHz范围内的响应高达90μV。器件的响应度和噪声等效功率是衡量器件性能的两个重要指标。这里，设备的响应度定义为Rv＝Vph/(P×A)，Vph是设备的电压响应值，P是辐射到设备表面的太赫兹源的功率密度，A是设备敏感元件的面积，NEP是每单位带宽的最低可检测功率，NEP＝vn/Rv，vn是噪声电压的均方根，vn＝(4kBTr+2eIdr2)0.5，kB是玻耳兹曼常数，r是器件的电阻，e是单位电荷，Id是偏置时的暗电流，这里是器件的偏置电流。170GHz的光功率密度P＝0.15mW/cm2，根据计算，器件在172GHz下的响应率高达600kV/W，在1V偏置和1kHz调制频率下的NEP低于0.1pW/Hz0.5，如图4所示。
为了测试器件的稳定性，将光电探测器加热至200℃20分钟，探测器冷却后，响应基本保持不变；再将探测器加热至200℃20分钟，冷却后测试响应基本保持不变，如图5所示，因此，Te光电探测器在各种恶劣工作环境下表现出良好的稳定性。
Claims (1)
1.一种碲基室温太赫兹探测器件，其特征在于：
所述的器件采用高阻硅衬底(1)，衬底上有一层自然氧化的二氧化硅层(2)，将碲纳米片(3)转移到二氧化硅层(2)上，然后在碲纳米片上制备左右对称的蝶形正电极层(4)和蝶形负电极层(5)；
所述的高阻硅衬底(1)厚度为0.5mm，电阻率10000Ω·cm；
所述的自然氧化的二氧化硅(2)厚度25nm；
所述的碲纳米片(3)是用化学气相沉积法制备的单晶材料，纳米片厚度为300-500nm，宽度为5-10μm，长度为10-30微米；
所述的蝶形正电极层(4)和蝶形负电极层(5)都采用30nm厚的钛和300nm厚的金，先溅射钛再溅射金，由钛和金正负电极层覆盖在碲纳米片(3)形成的台阶的表面和边缘，形成金属-半导体-金属结构，并在接触处形成欧姆接触，其中大部分的电极层都生长在台阶两侧的表面上；蝶形正电极层(4)和蝶形负电极层(5)围绕器件两边分别呈
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