CN115632083A - 太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法 - Google Patents

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CN115632083A CN202211219993.2A CN202211219993A CN115632083A CN 115632083 A CN115632083 A CN 115632083A CN 202211219993 A CN202211219993 A CN 202211219993A CN 115632083 A CN115632083 A CN 115632083A
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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法。所述太赫兹波探测器包括半导体结构、第一电极、第二电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线和第二天线：所述第一天线和第二天线间隔设置在所述半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触；所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接，所述第一电极、第二电极分别与第一天线、第二天线配合。本发明提供的太赫兹波的探测方法，采用偏压工作模式进行太赫兹波的探测，偏压工作模式增加了器件的稳定性。

Description

太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法
技术领域
本发明特别涉及一种太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法，属于太赫兹波探测技术领域。
背景技术
太赫兹波段是指频率在0.1-10THz(波长3mm-30μm)范围内，在电磁频谱中介于微波和红外之间的电磁波。该波段处于微波电子学向量子光学的过渡，成熟的微波和光子技术都较难适用，受限于现有辐射源/探测器等核心器件的开发水平，该频段内丰富的频谱和带宽资源尚未得到有效开发和利用。其中，室温下高速高灵敏度的太赫兹波探测器的研制将在无损安检、太赫兹成像和6G通讯等领域发挥重要的价值。
基于AlGaN/GaN高迁移率场效应晶体管(HEMT)设计制备的非对称偶极天线耦合的太赫兹波探测器，根据自混频理论通过改变栅极与源漏极距离、使用薄势垒、高迁移率的InP材料等设计，使得该类探测器的灵敏度有较大提升。目前，最高水平可在室温下实现3.7pW/Hz1/2的噪声等效功率(NEP)。但是该类探测器在灵敏度低至1pW/Hz1/2的发展上出现瓶颈，因此亟需优化该类太赫兹波探测器的设计，深入研究电磁场耦合与调控等方面的机理。
此外，诸如石墨烯、黑鳞、二硫化钼等二维材料的兴起也为太赫兹波探测器注入新的活力，此类探测器通过在两端电极外加偏置电压，运用太赫兹辐照下二维材料的光热载流子的非平衡激发形成光生电流，但这类探测器尚处于研发阶段，在探测灵敏度和稳定性上还面临挑战。
现有的非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器发明中，《室温太赫兹波探测器》的天线设计均由肖特基接触组成，即为电容耦合的三端太赫兹波探测器(DET-1)，其结构如图1a和图1b所示，在常用的三端太赫兹波探测器的非对称偶极天线设计中，源漏天线与栅控沟道和由二维电子气构成的源漏电极通过电容耦合实现连接，即制备在AlGaN/GaN异质结表面的金属源漏天线与二维电子气构成一个大面积的肖特基势垒电容。通过图中对应于结构示意图的等效电路图可知，栅控区沟道内阻为rc，此处的光电流表示为i0(Vg)，i为源漏端输出电流，与串联电阻有关，偶极天线下狭长的有源区会引入较高的源漏串联电阻rs/rd。加之这类三端型HEMT探测器普遍依赖于HEMT的亚阈值区域的高跨导特性实现高响应度和低电流噪声探测，这种工作模式下的器件沟道几乎处于夹断状态，使得器件内阻较大，不利于器件响应带宽及与后端放大电路的匹配，将会限制器件在高速脉冲、高速太赫兹调制信号解调上的应用。
孙云飞等人的《一种太赫兹波探测器》公开的三端太赫兹波探测器(DET-2)的欧姆接触同时为源、漏电极和天线结构，其结构如图2a和图2b所示，目的是为了器件结构紧凑、便于集成，由对应的等效电路图图2b可清晰看出，这种欧姆接触沉积于天线的设计可以减小2DEG连接源漏极与对应天线区域的串联电阻，但欧姆接触与靠近栅控区域的天线边缘平齐或者尽可能有小的距离，易受欧姆接触的高温快速退火影响，退火后欧姆接触变形，导致靠近栅极的天线顶端的保型性变差，难以实现亚微米尺度的“天线-栅极”缝隙的可控制备。随着三端太赫兹波探测器向更高灵敏度的发展，栅极长度、栅极与源漏天线间隙等核心尺寸趋向于越来越小的纳米尺度，出现了制备难度大、工艺一致性差、可靠性降低等问题。
基于自混频理论的非对称天线设计的三端场效应太赫兹波探测器，无论是上述的电容耦合式探测器还是欧姆接触作为源漏栅极的探测器，皆主要依赖于栅极电压对HEMT跨导进行调控，通过源漏电极输出太赫兹响应。其中栅控区域有效栅压的跨导决定探测强度的场效应因子，在最佳工作点栅压下三端太赫兹波探测器可以达到最佳的响应。然而，该工作模式下最佳工作点处于跨导极大值处，对器件栅压的波动极为敏感，微小的栅压变化都会引起器件响应输出的明显降低(见图3b)，这对于探测器的应用是不利的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种太赫兹波探测器及太赫兹波的探测方法，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种太赫兹波探测器，包括半导体结构、第一电极、第二电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线和第二天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一天线和第二天线间隔设置在所述半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触；
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一电极、第二电极分别与第一天线、第二天线配合，并且所述第一电极及第二电极与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管，所述第一电极及第二电极与载流子沟道通过欧姆接触导通形成电气连接。
本发明实施例还提供了一种太赫兹波探测器，包括半导体结构、第一电极、第二电极、第三电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线、第二天线和第三天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一电极、第二电极和第三电极间隔设置在所述半导体结构上，并与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管结构，所述第一电极及第二电极与载流子沟道形成电气连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线间隔设置在半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触，
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线分别与所述第一电极、第二电极和第三电极配合，以及，所述第一天线还与第三天线电连接。
本发明实施例还提供了一种太赫兹波的探测方法，包括：
提供所述的太赫兹波探测器，将所述第一电极和第二电极中的一者接地，并对另一者施加工作电压，通过测量所述太赫兹波探测器是否输出响应电流、响应电流的大小来实现对太赫兹波的探测。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种太赫兹波的探测方法，采用偏压工作模式进行太赫兹波的探测，偏压工作模式增加了太赫兹波探测器的稳定性；
2)本发明实施例提供的一种太赫兹波的探测方法，针对非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器提出的偏压工作模式，替代依赖栅极电压调控HEMT器件至亚阈值区最佳工作点的工作模式，通过施加偏压在混频区域得到合适的电势差调控沟道2DEG输出太赫兹响应电流，稳定的偏压可以使晶体管跨导在一定范围内保持稳定，规避了栅极电压带来的最佳跨导易受栅压微小变化而波动影响探测器响应度的缺点，使得最佳探测状态更加稳定；
3)本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器的结构更加简单，显著降低了器件设计、集成阵列、电路的复杂度；
4)本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器，可以规避非对称三端天线太赫兹波探测器中对于栅极的工艺精度要求高，以及，天线顶端的欧姆接触制备使得天线变形等带来的器件制备难度大、器件成品率差、可靠性低等难点，在优化天线距离与场板结构间隔等核心参数的基础上，可以得到性能更优越、灵敏度更高的太赫兹波探测器；
5)本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器，可降低器件的串联电阻与输出阻抗，利于电路阻抗匹配。
附图说明
图1a是现有技术中的一种电容耦合式三端太赫兹波探测器(DET-1)的结构示意图与等效电路图；
图1b是现有技术中的一种电容耦合式三端太赫兹波探测器(DET-1)的等效电路图；
图2a是现有技术中的欧姆接触沉积于天线的三端太赫兹波探测器(DET-2)的结构示意图；
图2b是现有技术中的欧姆接触沉积于天线的三端太赫兹波探测器(DET-2)的等效电路图；
图3a是AlGaN/GaNHEMT三端太赫兹波探测器天线感应的局域混频电场分布(仿真结果)；
图3b是不同源漏偏压和栅极电压下三端太赫兹波探测器的跨导曲线；
图4a和图4b分别是本发明实施例1中提供的一种在源漏偏压工作的三端太赫兹波探测器的结构示意图与等效电路图；
图5a和图5b分别是本发明实施例2中提供的一种AlGaN/GaN HEMT两端太赫兹波探测器的平面示意图、剖面结构示意图；
图5c是本发明实施例2中提供的一种AlGaN/GaN HEMT两端太赫兹波探测器的等效电路图；
图6a和图6b分别是本发明实施例3中提供的一种AlGaN/GaN HEMT两端太赫兹波探测器的平面示意图、剖面结构示意图；
图6c是本发明实施例3中提供的一种AlGaN/GaN HEMT两端太赫兹波探测器的等效电路图；
图7是本发明实施例2和实施例3中提供的一种AlGaN/GaN HEMT两端太赫兹波探测器天线感应的局域混频电场分布(仿真结果)；
图8a是本发明实施例1中的一种两端太赫兹波探测器与对比例1中的三端太赫兹波探测器随偏压变化的光电压对比图；
图8b是本发明实施例1中的一种两端太赫兹波探测器与对比例1中的三端太赫兹波探测器随频率变化的光电压对比图；
图9a和图9b分别是本发明实施例5中提供的一种包含两个并联的两端太赫兹波探测器的结构示意图与等效电路图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种太赫兹波的探测方法，使太赫兹波探测器在偏压工作模式下进行太赫兹波的探测，具体是通过使源/栅极接地，在漏极施加偏压，以此来实现对2DEG的调控，从而在太赫兹耦合天线下方沟道混频区域产生太赫兹响应电流。
基于偏压工作模式，本发明实施例还提供了一种两端太赫兹波探测器，该探测器由两端天线构成，天线间通过载流子沟道与欧姆接触结构配合与天线实现电连接，天线再与两端的输出电极连接。重要的是，与半导体结构配合的欧姆接触结构的边缘与半导体结构形成肖特基接触的天线边缘之间保留了一定距离，从而使天线和半导体结构形成类似“场板”的结构，该探测器通过施加合适偏置工作电压后，通过“场板”结构耦合电场在其下方的载流子沟道区域内产生混频电流，从而对太赫兹波进行有效且灵敏的探测。
本发明实施例提供了一种太赫兹波探测器，包括半导体结构、第一电极、第二电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线和第二天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一天线和第二天线间隔设置在所述半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触；
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一电极及第二电极与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管，所述第一电极及第二电极与载流子沟道通过欧姆接触导通形成电气连接。
在一具体实施方案中，所述第一天线、第二天线分别对应将所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构完全掩盖，所述第一天线、第二天线分别与半导体结构配合形成“场板”结构。
在一具体实施方案中，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离，所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间的第二距离，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离，所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端。
需要说明的是，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离作为天线间隙，所述第一距离和第二距离中的至少一者与第三距离共同决定半导体结构中载流子沟道的有效距离(长度)，并影响到器件工作时在载流子沟道内部的有效混频探测面积；具体的，其中第三距离主要决定了第一天线、第二天线的天线因子即天线对电磁波的谐振响应能力，第一距离和第二距离影响到场效应因子即电势差对于载流子沟道内载流子浓度和漂移速度的调控水平，最终的探测器响应正相关于上述天线因子与场效应的乘积在有效混频面积内的积分。所述第一距离、第二距离、第三距离为器件设计要素，这三者对于器件探测性能总体表现出相互制约的关系，例如，第三距离增大利于拓展载流子沟道内的混频面积，同时可能伴随着天线性能下降、载流子沟道内阻变大这些不利于器件性能的矛盾，为此可以通过联合电磁仿真和载流子沟道内载流子调控的自洽计算，针对探测响应度进行优化求解，从而得到最佳的第一距离、第二距离、第三距离的尺寸参数。
在一具体实施方案中，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离、所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间的第二距离可以是1.5-4微米，所述第一距离和第二距离可以相等也可以不相等，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离可以是200纳米-3微米；载流子沟道和第一天线、第二天线在混频区域的宽度可以为2-12微米。
具体的，所述第一天线、第二天线与所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构之间预留的间隙部分(包括相互对应的第一距离、第二距离部分)与半导体结构对应形成“场板”结构，可通过电场耦合对载流子沟道内载流子状态实现调控。
在一具体实施方案中，所述第一天线/第二天线的边缘区域与所述半导体结构形成肖特基接触，且与所述半导体结构形成所述“场板”结构，所述第一天线/第二天线的中间区域将所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构完全掩盖且与所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构电连接，其中，所述边缘区域环绕所述中间区域分布。
在一具体实施方案中，所述第一电极、第二电极间隔设置在所述半导体结构上，所述第一电极、第二电极与所述载流子沟道电连接。
示例性的，本发明实施例中的所述载流子沟道可以是半导体异质结结构中形成的高电子迁移率二维电子气沟道等。
在一具体实施方案中，所述第一天线、第二天线与下方的半导体结构形成金属-半导体间的欧姆接触，实现第一天线、第二天线与下方二维电子气沟道的电连接，所述第一电极、第二电极分别与所述第一天线、第二天线电连接，具体的，所述第一电极、第二电极可以通过所述载流子沟道分别与所述第一天线、第二天线电连接。
在一具体实施方案中，所述第一电极、第二电极分别与所述第一天线、第二天线设置为一体，例如，所述第一电极、第二电极可以分别通过金属引线等与所述第一天线、第二天线电连接并设置为一体。
在一具体实施方案中，所述第一天线与第二天线可以是对称设置的，亦可设置具有不同谐振响应特性的天线结构形成第一天线与第二天线的非一致性设置。
在一具体实施方案中，所述第一电极和第二电极中的一者作为源极、另一者作为漏极，或者，所述第一电极和第二电极中的一者作为阴极、另一者作为阳极；所述第一天线和第二天线中的一者作为源端天线，另一者作为漏端天线。
本发明实施例还提供了一种太赫兹波探测器，包括半导体结构、第一电极、第二电极、第三电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线、第二天线和第三天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一电极、第二电极和第三电极间隔设置在所述半导体结构上，并与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管结构，所述第一电极及第二电极与载流子沟道形成电气连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线间隔设置在半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触，
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线分别与所述第一电极、第二电极和第三电极配合，以及，所述第一天线还与第三天线电连接。
在一具体实施方案中，所述第一电极和第二电极中的一者作为源极、另一者作为漏极，所述第三电极作为栅极，所述第一天线和第二天线中的一者作为源端天线，另一者作为漏端天线，所述第三天线作为栅极天线。
在一具体实施方案中，所述第一天线、第二天线分别对应将所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构完全掩盖，所述第一天线、第二天线分别与所述半导体结构对应形成“场板”结构。
在一具体实施方案中，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离，所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间的第二距离，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离，所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端。
在一具体实施方案中，所述第一天线/第二天线的边缘区域与所述半导体结构形成肖特基接触，且与所述半导体结构形成所述“场板”结构，所述第一天线/第二天线的中间区域将所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构完全掩盖且与所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构电连接，其中，所述边缘区域环绕所述中间区域分布。
本发明实施例还提供了一种太赫兹波的探测方法，包括：
提供所述的太赫兹波探测器，将所述第一电极和第二电极中的一者接地，并对另一者施加工作电压，通过测量所述太赫兹波探测器是否输出响应电流、响应电流的大小来实现对太赫兹波的探测。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
需要说明的是，本发明实施例中的半导体结构可以是场效应晶体管的外延结构，具体可以是AlGaN/GaN HEMT外延结构，所述半导体结构包括异质结，所述异质结可以是AlGaN/GaN异质结，当然，也可以选择具有载流子沟道的其他沟道结构，示例性地，本领域技术人员还可以更换具有不同载流子迁移率与浓度的材料，如石墨烯、磷化铟等，或者，采用具有不同势垒层厚度的异质结。
本发明实施例中第一天线与第二天线，或者，第一天线、第二天线、第三天线作为太赫兹波耦合天线，所述太赫兹波耦合天线包括但不限于如蝶形天线(bow-tie antenna)、狭缝天线(slot antenna)或传输线(Transmission line)等。
本案发明人研究发现，无论是电容耦合式、还是欧姆接触直接沉积于天线的探测器，以及天线耦合的三端场效应晶体管太赫兹探测器均是基于自混频理论(原理)实现的，非对称偶极天线在HEMT沟道内产生增强的太赫兹电场，具有三个重要特征：一是太赫兹波在栅极两侧有显著的增强，即具有局域的特征；二是在漏端天线一侧的栅极边缘具有比栅极另一侧更强的太赫兹电场，即非对称分布；三是在入射太赫兹波为线偏振的平面波时(偏振方向平行于天线)，在栅控沟道内具有沿x方向的面内电场和沿z方向的垂直分量，分别调控沟道内电子的漂移速率和电子气浓度。根据自混频理论，太赫兹波产生的直流响应电流可以表示为：
i0∝Ξ(VG)×Λ(f0，P0)
其中，f0和P0分别是入射太赫兹波的频率和功率，Ξ(VG)＝dG0/dVG为场效应因子，由沟道在无直流源漏偏压下的栅控电导决定：G0＝eμWn(VG)/L，Λ(f0，P0)表示天线因子，表征太赫兹波在天线耦合的2DEG沟道内产生混频电流的强弱，可表示为：
Figure BDA0003875734740000101
其中，MF(f0，P0)为沟道内的混频因子，具体可以表示为：
Figure BDA0003875734740000102
式中，Ex(x，y，zch)是特定功率和频率的太赫兹波在栅控沟道内诱导产生的面内太赫兹电场，
Figure BDA0003875734740000103
为栅控沟道相对栅极的电势，Δφ为沟道内Ex(x，y，zch)和u(x，y，zch)之间的相位差，混频因子为以上三者乘积的面积分值。
图3a为通过仿真计算得到的混频因子在非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器剖面上的分布，可以看出，在漏端的栅极边缘下方具有显著强于源端栅极下方的混频效应，这种通过栅极天线实现的非对称性特征是实现太赫兹波有效探测的关键，是采用非对称偶极天线设计的主要原因，值得注意的是，在漏端天线顶端下方也有局域增强的混频因子，由于该区域内沟道不受栅极电压的调控，场效应因子较低，因此不产生显著的混频电流。
基于以上理论可以获悉，目前的三端太赫兹波探测器主要依赖于栅极电压得到合适的跨导，通过调控沟道内2DEG浓度至合适值，局域混频区域才能产生可观的响应电流。如图3b所示，不同栅极电压Vg下，当源漏偏压很小时，器件的跨导gm在很小的栅压范围内保持稳定的极大值，沟道内电子被加速，达到饱和漂移速度或电压，导致出现跨导平台，这意味着源漏偏压下的跨导值在较大的栅压范围内均保持稳定，这对于探测器的工作稳定性有极大的益处，即使探测器的栅压存在一定范围的波动，仍可输出稳定的太赫兹响应电流。
有别于普遍的栅压探测模式，本发明实施例提供的一种在源漏偏压下进行太赫兹波光电压探测的太赫兹波探测器以及太赫兹波探测方法，本发明实施例基于自混频理论提供了一种三瓣非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器以及一种新型的两端太赫兹波探测器。
本发明实施例中提供的一种两端太赫兹波探测器，两端天线(即第一电线和第二天线)均与载流子沟道通过欧姆接触形成电连接，且欧姆接触结构的边缘与两端天线的边缘并非重合而是预留一定距离，从而使天线边缘的预留部分与下方半导体结构形成肖特基接触。该两端太赫兹波探测器仅有两端电极也可对太赫兹波进行高灵敏探测，其两端电极中的一端电极用于施加特定的工作电压并用于光响应信号输出，另一端电极接地；本发明实施例提供的太赫兹波探测器可裸片使用，也可与会聚透镜或波导组件等集成使用。
本发明实施例中提供的一种两端太赫兹波探测器，探测器沟道的内阻可以通过沟道有源区尺寸设计进行灵活调整，利于探测器与输出电路的阻抗匹配，也利于探测器的灵敏度和响应速度。
本发明实施例还提出了一种三端太赫兹波探测器，不利用栅极电压，而是将栅极与源极或漏极相连并接地，通过源漏偏压带来的电势差对该类探测器的跨导进行调控，在局域混频区域产生太赫兹响应电流的工作模式。
实施例1
请参阅图4a和图4b，一种三端太赫兹波探测器，包括场效应晶体管和太赫兹波耦合天线(可以简称为天线或太赫兹天线)，所述场效应晶体管包括半导体结构和与半导体结构配合的第一电极、第二电极和第三电极，所述半导体结构内形成有载流子沟道，所述第一电极、第二电极间隔设置在所述半导体结构上并与所述半导体结构形成欧姆接触，所述第一电极、第二电极与所述载流子沟道电连接；
所述太赫兹波耦合天线包括第一天线、第二天线和第三天线，所述第一天线、第二天线和第三天线间隔设置在异质结上，并与所述半导体结构形成肖特基接触，所述第一天线、第二天线和第三天线分别与第一电极、第二电极、第三电极对应电连接，以及，所述第三天线还可以通过载流子沟道引线与第一天线电连接。
在本实施例中，所述第一天线、第二天线与异质结之间还设置有第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构，所述第一天线、第二天线的中间区域分别覆盖所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离、第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间具有第二距离，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离；所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端。
在本实施例中，所述场效应晶体管可以是AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管等，也可以是硅基CMOS、其他异质结晶体管、石墨烯晶体管等，所述载流子沟道可以是二维电子气(2DEG)沟道。
以本实施例中的三端太赫兹波探测器在偏压下进行太赫兹波探测的方法包括：
将第三天线与第一天线保持与第一电极相同的接地状态，在第二天线施加电压，通过测量所述太赫兹波探测器是否输出响应电流、响应电流的大小来实现对太赫兹波的探测。
需要说明的是，基于自混频理论可以获悉，由于第一电极与第三电极接地，第一电极与第三电极之间的电势为零，根据电势的缓变分布，在指定的偏压下，第三电极与第二电极之间的载流子沟道内会在电势梯度下形成稳态的浓度分布，而当太赫兹天线接收到太赫兹辐射时，会在载流子沟道内形成强局域非稳态的太赫兹混频电场，该太赫兹混频电场作用于载流子沟道内，并驱使载流子沟道内载流子发生浓度涨落和漂移，最终在器件载流子沟道两侧电极间产生太赫兹响应的短路电流或开路电压。
需要注意的是，所述天线与载流子沟道内载流子之间的作用是一种场效应作用，所述天线不可与混频区域的载流子沟道处形成欧姆接触，从而使天线完全与其下方载流子沟道接触导通，这会导致太赫兹波的场效应失效，进而无法实现对载流子沟道内的载流子进行有效调控。
实施例2
以三端太赫兹波探测器在偏压工作模式下进行太赫兹波的探测时，在一定程度上增加了工艺的不确定性，使得器件结构与集成的复杂度增加，因此，本发明实施例还提供了一种两端太赫兹波探测器。
请参阅图5a和图5b，一种基于AlGaN/GaN HEMT的两端太赫兹波探测器，主要包括高迁移率场效应晶体管以及第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线、第二天线、第一电极和第二电极，所述高迁移率场效应晶体管包括衬底以及依次叠于衬底的GaN沟道层、AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层设置在GaN沟道层上并形成异质结；
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构间隔设置在所述异质结上，且与所述异质结形成欧姆接触，所述第一天线、第二天线间隔设置在所述异质结上并分别覆盖所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构，且所述第一天线、第二天线与所述异质结形成肖特基接触。
在本实施例中，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离，所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的四端之间具有第二距离g，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间具有第三距离d，所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端；所述第一欧姆接触结构与第一天线、第二欧姆接触结构与第二天线形成了一种类似“场板”的结构。
在本实施例中，所述第一电极、第二电极分别对应与第一天线、第二天线电连接，而不直接与异质结内的载流子沟道接触。
以本实施例中的两端太赫兹波探测器在偏压下进行太赫兹波的探测方法包括：
将第一天线保持与第一电极相同的接地状态，在第二天线施加电压，测量所述太赫兹波探测器是否输出响应电流、响应电流的大小来实现对太赫兹波的探测。
通过图5c的等效电路图可看出，该两端太赫兹波探测器可减小串联电阻，其中的rc表示的是第一天线和第二天线之间2DEG产生的沟道电阻。
实施例3
本实施例中的一种基于AlGaN/GaN HEMT的两端太赫兹波探测器的结构如图6a、图6b、图6c所示，本实施例中的两端太赫兹波探测器的结构与实施例2中的两端太赫兹波探测器的结构基本相同，不同之处在于：
本实施例中的第一电极、第二电极设置在异质结上，并与异质结内的载流子沟道接触并电性连接，示例性的，所述第一天线、第二天线可以通过载流子沟道和欧姆接触结构与第一电极、第二电极对应电连接。
通过图6c的等效电路图可看出，该两端太赫兹波探测器可减小串联电阻，其中的rc表示的是第一天线和第二天线之间载流子沟道产生的沟道电阻。
需要说明的是，实施例2和实施例3中提供的两端太赫兹场效应探测器可以采用CN102445711 A中公开的工艺制作形成，当然，还可以采用本领域技术人员已知的其他工艺制作形成，在此不做具体的限定。
图7为仿真得到的实施例2和实施例3中的两端太赫兹波探测器结构对应的混频因子分布示意图，该器件工作时，一端电极接地为零电势，自另一端电极施加电压，根据电势在天线场板区域(即与场板结构对应的区域)的缓变分布，在合适的偏压下得到一定范围内的跨导，从而对沟道内2DEG进行调控，在局域混频区域产生有效的太赫兹响应电流输出，通过调整核心尺寸d、g值，两端太赫兹波探测器的灵敏度有进一步优化的空间。
对比例1
对比例1为CN 102054891A中公开的一种室温太赫兹波探测器，其结构如图1a、图1b所示。
对比例2
对比例2为CN 102445711 A中公开的一种太赫兹波探测器，其结构如图2a、图2b所示。
在偏压下，对比例1中的一种太赫兹波探测器与实施例1中的一种两端太赫兹波探测器(如图4a、图4b)的光电压变化对比结果如图8a所示，值得注意的是，对三端太赫兹波探测器而言，偏压(Vd)指的是第三电极悬空、源端接地、第二电极施加的源漏偏压；对两端太赫兹波探测器而言，偏压指的是其中一端电极接地，另一端电极加压；对三端太赫兹波探测器而言，由于第三电极悬空，在电容耦合模式下无法在沟道内形成有效的纵向电势差，无法有效调控电子浓度，因此无论源漏电压如何变化，得到的光电压响应皆很微弱，但在两端太赫兹波探测器中，随着Vd偏压数值上的增大，可得到逐步变大的光电压响应。
为更清楚表现两端太赫兹波探测器的探测效果，本实施例还对两种器件进行了扫频测试，测试结果如图8b所示，图8b为对比例1中的一种太赫兹波探测器与实施例1中的一种两端太赫兹波探测器的光电压随频率变化的曲线，可以看出，相较于在最佳工作点栅压下的电容耦合式探测器的光电压响应，两端太赫兹波探测器在合适的第二电极偏压下(如图5a、图5b或图6a、图6b设置，第一电极：接地；第二电极：施加电压为4V)可以在162～252GHz范围内得到更大的光电压响应。
除此之外，将两端太赫兹波探测器的两端电极交换设置，可以得到与交换前对应的负值的光电压响应，这代表着所获得的光响应是极性相反的，两端电极下方感应到的太赫兹混频区域的相位相反，这与该器件类型的仿真结果是吻合的。
基于以上偏压实验结果，可知两端太赫兹波探测器在不同工作模式下仍可实现甚至达到更好水平的太赫兹探测。本发明基于AlGaN/GaN HEMT提出的两端太赫兹波探测器，简化了原有的天线设计，不通过第三电极电压对2DEG进行调控，而是通过偏压由欧姆接触电极与肖特基天线形成的场板结构形成的非对称缓变电势对2DEG进行调控。
实施例4
实施例2和实施例3中的两端太赫兹波探测器利用的仅为一端天线下方的混频区域，本实施例中的两端太赫兹波探测器的结构如图9a、图9b所示，将两侧天线下方载流子沟道通过欧姆接触接地，通过电极对两天线间隙间的沟道施加偏压，由此将两天线所分别对应的两端探测器结构并联连接，从而进一步降低器件整体内阻。可以通过在2DEG沟道设置两段分立的欧姆接触形成2DEG沟道内置的器件负载(load)，也可以在器件封装外接负载。这种并联式两端探测结构可以将两端天线下方的混频区域都利用起来形成差分信号输出，得到高灵敏度的有效探测。
本发明实施例提供的一种太赫兹波的探测方法，偏压工作模式增加了器件的稳定性；针对非对称偶极天线耦合的三端太赫兹波探测器提出的偏压工作模式，替代依赖第三电极电压调控HEMT器件至亚阈值区最佳工作点的工作模式，通过施加偏压在混频区域得到合适的电势差调控沟道载流子输出太赫兹响应电流，稳定的偏压可以使晶体管跨导在一定范围内保持稳定，规避了第三电极电压带来的最佳跨导易受栅压微小变化而波动影响探测器响应度的缺点，使得最佳探测状态更加稳定。
本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器的结构更加简单，为应用偏压工作模式，三端太赫兹波探测器可优化为两端太赫兹波探测器，显著降低器件设计、集成阵列、电路的复杂度，两端太赫兹波探测器在偏压工作模式的基础上，简化了三端太赫兹波探测器设计，舍去栅极及栅极与源/漏极连线，结构更加简单易得，探测效果相当。
本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器，通过两端电极(一侧接地，一侧施加电压Vd)对沟道载流子浓度进行调控，通过肖特基天线与欧姆接触结构形成的场板结构的作用，在其下方沟道混频从而产生可观的太赫兹响应电流，本发明实施例提供的两端太赫兹波探测器，可以规避天线由欧姆接触组成带来的制备工艺难度大、器件一致性差、可靠性低等问题，在优化天线距离与场板结构间隔等核心参数的基础上，可以得到性能更优越、灵敏度更高的太赫兹波探测器。
本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器，可降低器件串联电阻与输出阻抗；本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器，通过欧姆接触将载流子沟道与太赫兹天线连接，降低了三端太赫兹波探测器中天线连接源、漏极区域由载流子沟道产生的串联电阻。除此之外，本发明实施例提供的一种两端太赫兹波探测器的工作模式意味着器件沟道内阻可通过调整有源区的结构尺寸有进行灵活设计，在与后端链路阻抗匹配时有较大的优化空间，低阻器件的实现有利于降低输出阻抗，缓解输出带宽受限、解决与后端低噪声放大器阻抗匹配难等问题。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹波探测器，其特征在于包括半导体结构、第一电极、第二电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线和第二天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一天线和第二天线间隔设置在所述半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触；
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一电极、第二电极分别与第一天线、第二天线配合，并且所述第一电极及第二电极与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管，所述第一电极及第二电极与载流子沟道形成电气连接。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一天线、第二天线分别对应将所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构完全掩盖，所述第一天线、第二天线分别与所述半导体结构对应形成“场板”结构；
和/或，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离，所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间的第二距离，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离，所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一天线/第二天线的边缘区域与所述半导体结构形成肖特基接触，且与所述半导体结构形成所述“场板”结构，所述第一天线/第二天线的中间区域将所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构完全掩盖且与所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构电连接，其中，所述边缘区域环绕所述中间区域分布。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一电极、第二电极间隔设置在所述半导体结构上，所述第一电极、第二电极与所述载流子沟道电连接。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一电极、第二电极分别与所述第一天线、第二天线对应形成电连接；
优选的，所述第一电极、第二电极分别与所述第一天线、第二天线设置为一体。
6.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一天线与第二天线对称设置。
7.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一电极和第二电极中的一者作为源极、另一者作为漏极。
8.一种太赫兹波探测器，其特征在于包括半导体结构、第一电极、第二电极、第三电极、第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构、第一天线、第二天线和第三天线：
所述半导体结构包括层叠设置的沟道层和势垒层，所述半导体结构中形成有载流子沟道；
所述第一电极、第二电极和第三电极间隔设置在所述半导体结构上，并与半导体结构配合形成高迁移率场效应晶体管结构，所述第一电极及第二电极与载流子沟道形成电气连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线间隔设置在半导体结构上，并均与所述半导体结构形成肖特基接触，
所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构分别对应设置在所述第一天线、第二天线与半导体结构之间，所述第一欧姆接触结构及第二欧姆接触结构均与半导体结构形成欧姆接触且分别与第一天线、第二天线电连接；
所述第一天线、第二天线、第三天线分别与所述第一电极、第二电极和第三电极配合，以及，所述第一天线还与第三天线电连接。
9.根据权利要求8所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述第一电极和第二电极中的一者作为源极、另一者作为漏极，所述第三电极作为栅极；
和/或，所述第一天线、第二天线分别对应将所述第一欧姆接触结构、第二欧姆接触结构完全掩盖，所述第一天线、第二天线分别与所述半导体结构对应形成“场板”结构；
和/或，所述第一欧姆接触结构的第一端与第一天线的二端之间具有第一距离，所述第二欧姆接触结构的第三端与第二天线的第四端之间的第二距离，所述第一天线的第二端与第二天线的第四端之间的第三距离，所述第一端和第二端为指向第二天线的一端，所述第三端和第四端为指向第一天线的一端；
和/或，所述第一天线/第二天线的边缘区域与所述半导体结构形成肖特基接触，且与所述半导体结构形成所述“场板”结构，所述第一天线/第二天线的中间区域将所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构完全掩盖且与所述第一欧姆接触结构/第二欧姆接触结构电连接，其中，所述边缘区域环绕所述中间区域分布。
10.一种太赫兹波的探测方法，其特征在于，包括：
提供权利按要求1-7或8-9中任一项所述的太赫兹波探测器，将所述第一电极和第二电极中的一者接地，并对另一者施加工作电压，通过测量所述太赫兹波探测器是否输出响应电流、响应电流的大小来实现对太赫兹波的探测。
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