CN206976378U

CN206976378U - 宽频远红外探测器

Info

Publication number: CN206976378U
Application number: CN201720945981.6U
Authority: CN
Inventors: 孙云飞; 班建民; 陶重犇; 姜莉
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2027-08-01

Abstract

本实用新型公开了一种宽频远红外探测器，包括基底层；所述基底层上设有氮化镓层；所述氮化镓层上设有源电极、漏电极、氮化铝镓层；所述氮化镓层与氮化铝镓层之间设有硫化镓层；所述氮化铝镓层位于源电极、漏电极之间；所述氮化铝镓层上设有1号天线、2号天线、3号天线、栅极；所述1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；所述1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；所述1号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述2号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对；所述3号天线为长方体结构；所述长方体上表面设有弧形凸起。可以收集不同方向的电磁波，实现了多向、宽频检测。

Description

宽频远红外探测器

技术领域

本实用新型属于电磁波探测器领域，具体涉及一种宽频远红外探测器。

背景技术

远红外介于红外与微波之间，通常指的是波长在0.03mm～3 mm（0.1THz～10THz）区间的电磁波，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，具有重要的科学价值和应用价值，在电磁频谱上，其两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是远红外技术还不完善；究其原因，主要是缺乏有效的产生和检测手段。目前主要探测方法有热辐射探测法、傅里叶变换光谱法、时域光谱法、外差式探测法以及太赫兹量子阱红外光子探测。随着远红外技术在各领域特别是军事领域中的深入开展，不断提高探测灵敏度成为必然的要求，这就要求探测器具有很高的探测灵敏度和频率分辨率，基于不同材料和不同探测原理的探测器也应运而生；天线是影响检测结果和检测频率的关键结构，即使形状接近但略有偏差，也会导致不同的检测结果。

发明内容

本实用新型公开了一种宽频远红外探测器，在优化设计检测头的基础上，首次公开了集成型核心探测部件，可以收集不同方向的电磁波，实现了多向、宽频检测，保证检测结果不受电磁波方向干扰，解决了现有技术需要探测器垂直于或者平行于电磁波才可以最大化检测的问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种宽频远红外探测器，包括基底层；所述基底层上设有氮化镓层；所述氮化镓层上设有源电极、漏电极、氮化铝镓层；所述氮化镓层与氮化铝镓层之间设有硫化镓层；所述氮化铝镓层位于源电极、漏电极之间；所述氮化铝镓层上设有1号天线、2号天线、3号天线、栅极；所述1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；所述1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；所述1号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述2号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对；所述3号天线为长方体结构；所述长方体上表面设有弧形凸起。

本实用新型还公开了一种宽频远红外探测器用天线结构，包括源电极、漏电极、1号天线、2号天线、3号天线、栅极；所述1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；所述1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；所述1号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述2号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对；所述3号天线为长方体结构；所述长方体上表面设有弧形凸起。

本实用新型还公开了一种远红外宽频探测装置，包括透镜、探测器、信号放大器；所述探测器包括基底层；所述基底层上设有氮化镓层；所述氮化镓层上设有源电极、漏电极、氮化铝镓层；所述氮化镓层与氮化铝镓层之间设有硫化镓层；所述氮化铝镓层位于源电极、漏电极之间；所述氮化铝镓层上设有1号天线、2号天线、3号天线、栅极；所述1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；所述1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；所述1号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述2号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对；所述3号天线为长方体结构；所述长方体上表面设有弧形凸起。

本实用新型中，栅极位于天线中间位置，从而可以避免误差，达到探测准确的效果；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对，可以理解为1号天线的凹槽对着2号天线，2号天线的凹槽对着1号天线，从而两根天线的凹槽相对。其中透镜、信号放大器等为常规部件，源电极、漏电极与引线电极的结合也是常规手段，本实用新型主要通过天线结构的设计结合硫化镓层达到探测准确、宽频的效果，通过金属氧化物层的优化，提高探测精度。

本实用新型中，天线为规则方体设有凹槽后得到，各表面根据实际状态符合几何定义，比如长方体的侧面是指面积最小的面，即宽与高组成的一个面；天线设置的凹槽为贯通凹槽，即设置的凹槽贯通凹槽所处的面。

本实用新型中，所述3号天线的弧形凸起为贯通弧形凸起，凸起长度与3号天线长度一至；3号天线作为本实用新型的创造性所在，不但提高了不同入射角的测量精度，解决了现有技术一般依靠垂直或者平行才可以获得高精度的缺陷，而且实现了本实用新型的探测器宽频的效果。与同期申请的另一篇梯形体相比，本实用新型制作上简易一些，实际性能稍差一些。

本实用新型中，基底层与氮化镓层间设有金属氧物层，现有技术着眼于结构设计，对于基础研究极少，少部分研究仅仅在异质体生长方面。镓氮的熔点和饱和蒸汽压高，很难采用通常的方法制备出体单晶。目前在国际上镓氮生长基本是采用异质外延制备，在蓝宝石衬底上外延镓氮材料，是制作光电子器件的通用办法；MOCVD技术制备镓氮过程中，三甲基镓做为MO源，NH₃做为N源并以H₂和N₂或者这种两种气体的混合气体为载气，将反应物载入反应腔并在一定温度下发生反应，生成相应薄膜材料的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最后形成所需的外延层。由于镓氮与蓝宝石衬底的晶格失配和热失配都很大，生长的样品表面形貌很差，外延薄膜存在裂纹，n型背底浓度通常在10¹⁸cm^-3以上。材料衬底的选择对外延铝镓氮/镓氮晶体质量影响很大，对器件的性能和可靠性产生重要影响，本实用新型设置金属氧化物层，厚度为260～330纳米，可以缓解现有技术缺陷，解决匹配性问题，n型背底浓度小于10¹¹cm^-3。

本实用新型在氮化镓层与氮化铝镓层之间设有硫化镓层，厚度为1.5～1.8纳米，与传统的MESFET器件相比，本发明的HEMTs具有较高的二维电子气浓度，浓度高达10¹⁴cm²，而且由于势阱中的电子与施主杂质在空间上是分离的，电子迁移率得以大大地提高，可具有3680cm²/Vs的高电子迁移率。

本实用新型中，在源电极，外侧面设有焊点，在漏电极外侧面设有焊点；用于电极的引线的焊接，实现焊接方便牢固的目的，避免现有熔接或者无焊点焊接带来的焊接复杂问题，外侧面为远离栅极的一侧面，用于焊接引线。

本实用新型中，所述1号天线凹槽的深度为1号天线长度的5～7%，所述2号天线凹槽的深度为2号天线长度的5～7%，所述3号天线弧形凸起的高度为3号天线高度的15～18%；所述1号天线凹槽的宽度为1号天线宽度的5～8%，所述2号天线凹槽的宽度为2号天线宽度的5～8%，所述3号天线弧形凸起的最大宽度为3号天线的宽度。

本实用新型中，1号天线的凹槽为方形凹槽，2号天线的凹槽为方形凹槽，对电磁波有良好的频率响应，而且耦合效率高，耗散小。

本实用新型中，所述氮化镓层的厚度为1.5～1.7微米；所述氮化铝镓层的厚度为35～40纳米。

众所周知，在电磁波探测器方面，主要的影响因素为天线，申请人围绕天线结构做出两种创新方案，本实用新型公开了新的天线结构，达到了检测准确、检测频率宽的效果；另外各层之间的匹配性也会对检测结果产生影响，本实用新型设计了金属氧化物层以及硫化镓层，达到了n型背底浓度小、二维电子气浓度高、电子迁移率高的效果，从而为检测结果的准确提供保障。

附图说明

图1为实施例一宽频远红外探测器结构示意图；

图2为实施例一宽频远红外探测器天线结构示意图；

图3为实施例一1号天线结构示意图；

图4为实施例一3号天线结构示意图；

图5为实施例三宽频远红外探测器结构示意图；

其中，基底层1、氮化镓层2、源电极3、漏电极4、氮化铝镓层5、硫化镓层6、1号天线7、2号天线8、3号天线9、栅极10、金属氧物层11。

具体实施方式

实施例一

参见图1-4，一种宽频远红外探测器，包括基底层1；基底层上设有厚度为1.7微米的氮化镓层2；氮化镓层上设有源电极3、漏电极4、厚度为40纳米的氮化铝镓层5；氮化镓层与氮化铝镓层之间设有厚度为1.8纳米的硫化镓层6；氮化铝镓层上设有1号天线7、2号天线8、3号天线9、栅极10；1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；1、2号天线靠近栅极的侧面设有方形贯通凹槽；两凹槽相对；3号天线为长方体结构，上表面设有贯通弧形凸起。

本实施例中，1号天线凹槽的深度为1号天线长度的7%，2号天线凹槽的深度为2号天线长度的7%，3号天线弧形凸起的高度为3号天线高度的18%.；1号天线凹槽的宽度为1号天线宽度的8%，2号天线凹槽的宽度为2号天线宽度的8%，3号天线弧形凸起的最大宽度为3号天线的宽度。

上述源电极、漏电极、1号天线、2号天线、3号天线、栅极构成宽频远红外探测器用天线结构，可具有3620 cm²/Vs的高电子迁移率，二维电子气密度很高，通常可达10¹⁴cm²。将透镜、探测器、信号放大器常规组装成远红外宽频探测装置；常温下，对制备的器件进行1.0THz应用测试，光电流为2.1nA，噪声等功率为256pW/Hz^0.5，响应度为129mA/W，响应时间为9ps；进行3.0 THz应用测试，光电流为3.0nA，噪声等功率为218pW/Hz^0.5，响应度为151mA/W，响应时间为9ps。

实施例二

参见附图5，一种宽频远红外探测器，包括基底层1；基底层上设有厚度为1.5微米的氮化镓层2；氮化镓层上设有源电极3、漏电极4、厚度为35纳米的氮化铝镓层5；氮化镓层与氮化铝镓层之间设有厚度为1.5纳米的硫化镓层6；氮化铝镓层上设有1号天线7、2号天线8、3号天线9、栅极10；1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；1、2号天线靠近栅极的侧面设有方形贯通凹槽；两凹槽相对；3号天线为长方体结构，上表面设有贯通弧形凸起；基底层与氮化镓层间设有厚度为260纳米的金属氧物层11。

本实施例中，1号天线凹槽的深度为1号天线长度的5%，2号天线凹槽的深度为2号天线长度的5%，3号天线弧形凸起的高度为3号天线高度的18%.；1号天线凹槽的宽度为1号天线宽度的5%，2号天线凹槽的宽度为2号天线宽度的5%，3号天线弧形凸起的最大宽度为3号天线的宽度。

上述源电极、漏电极、1号天线、2号天线、3号天线、栅极构成宽频远红外探测器用天线结构，可具有3680 cm²/Vs的高电子迁移率，二维电子气密度很高，通常可达10¹⁴cm²。将透镜、探测器、信号放大器常规组装成远红外宽频探测装置；常温下，对制备的器件进行1.0THz应用测试，光电流为2.3nA，噪声等功率为238pW/Hz^0.5，响应度为146mA/W，响应时间为8ps；进行3.0 THz应用测试，光电流为3.3nA，噪声等功率为196pW/Hz^0.5，响应度为172mA/W，响应时间为8ps。

实施例三

一种宽频远红外探测器，包括基底层；基底层上设有厚度为1.6微米的氮化镓层；氮化镓层上设有源电极、漏电极、厚度为35纳米的氮化铝镓层；氮化镓层与氮化铝镓层之间设有厚度为1.8纳米的硫化镓层；氮化铝镓层上设有1号天线、2号天线、3号天线、栅极；1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；1、2号天线靠近栅极的侧面设有方形贯通凹槽；两凹槽相对；3号天线为长方体结构，上表面设有贯通弧形凸起；基底层与氮化镓层间设有厚度为330纳米的金属氧物层；源电极外侧面设有焊点、漏电极外侧面设有焊点。

本实用新型中，1号天线凹槽的深度为1号天线长度的6%，2号天线凹槽的深度为2号天线长度的6%，3号天线弧形凸起的高度为3号天线高度的16%.；1号天线凹槽的宽度为1号天线宽度的6%，2号天线凹槽的宽度为2号天线宽度的6%，3号天线弧形凸起的最大宽度为3号天线的宽度。

上述源电极、漏电极、1号天线、2号天线、3号天线、栅极构成宽频远红外探测器用天线结构，可具有3660 cm²/Vs的高电子迁移率，二维电子气密度很高，通常可达10¹⁴cm²。将透镜、探测器、信号放大器常规组装成远红外宽频探测装置；常温下，对制备的器件进行1.0THz应用测试，光电流为2.3nA，噪声等功率为247pW/Hz^0.5，响应度为142mA/W，响应时间为8ps；进行3.0 THz应用测试，光电流为3.2nA，噪声等功率为206pW/Hz^0.5，响应度为159mA/W，响应时间为8ps。

对比例一

采用实施例三的探测器，将3号天线替换为1号天线，其余不变，仅对1.0 THz应用测试有效。

Claims

1.一种宽频远红外探测器，包括基底层；所述基底层上设有氮化镓层；所述氮化镓层上设有源电极、漏电极、氮化铝镓层；所述氮化镓层与氮化铝镓层之间设有硫化镓层；所述氮化铝镓层位于源电极、漏电极之间；所述氮化铝镓层上设有1号天线、2号天线、3号天线、栅极；所述1号天线、2号天线、3号天线呈品字形分布；所述1号天线与2号天线结构一致，都为长方体结构；所述1号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述2号天线靠近栅极的侧面设有凹槽；所述1号天线的凹槽与2号天线的凹槽相对；所述3号天线为长方体结构；所述长方体上表面设有弧形凸起。

2.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述1号天线的凹槽为贯通凹槽；所述2号天线的凹槽为贯通凹槽。

3.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述3号天线的弧形凸起为贯通弧形凸起。

4.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述基底层与氮化镓层间设有金属氧物层。

5.根据权利要求4所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述金属氧化物层的厚度为260～330纳米。

6.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述硫化镓层的厚度为1.5～1.8纳米。

7.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述源电极外侧面设有焊点；所述漏电极外侧面设有焊点。

8.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述1号天线凹槽的深度为1号天线长度的5～7%，所述2号天线凹槽的深度为2号天线长度的5～7%，所述3号天线弧形凸起的高度为3号天线高度的15～18%.；所述1号天线凹槽的宽度为1号天线宽度的5～8%，所述2号天线凹槽的宽度为2号天线宽度的5～8%，所述3号天线弧形凸起的最大宽度为3号天线的宽度。

9.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述1号天线的凹槽为方形凹槽，所述2号天线的凹槽为方形凹槽。

10.根据权利要求1所述宽频远红外探测器，其特征在于，所述氮化镓层的厚度为1.5～1.7微米；所述氮化铝镓层的厚度为35～40纳米。