RU2731166C2 - Способ изготовления фотопроводящих антенн - Google Patents
Способ изготовления фотопроводящих антенн Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731166C2 RU2731166C2 RU2018126912A RU2018126912A RU2731166C2 RU 2731166 C2 RU2731166 C2 RU 2731166C2 RU 2018126912 A RU2018126912 A RU 2018126912A RU 2018126912 A RU2018126912 A RU 2018126912A RU 2731166 C2 RU2731166 C2 RU 2731166C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photoconductive
- antenna
- metallization
- windows
- dielectric layer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
- H01L23/50—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor for integrated circuit devices, e.g. power bus, number of leads
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Использование: для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона. Суть изобретени заключается в том, что изготовление фотопроводящей антенны для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона заключается в нанесении диэлектрического слоя на поверхность фотопроводящего слоя, нанесении фоторезиста и последующем формировании маски окон в диэлектрике, жидкостном травлении окон по маске, нанесении фоторезиста и формировании маски для металлизации антенны, термическом нанесении металлизации фотопроводящей антенны с последующим удалением остатков металла методом "взрывом", при этом металлизация фотопроводящей антенны наносится на диэлектрический слой, которым покрыта поверхность фотопроводящего слоя, а электрический контакт металлизации с полупроводником осуществляется через предварительно вскрытые окна в диэлектрическом слое. Технический результат: обеспечение возможности увеличения соотношения сигнал/шум и эффективности оптико-терагерцевого преобразования антенны. 2 ил.
Description
Изобретение относится к технологии формирования фотопроводящих антенн, предназначенных для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона. Данный способ позволяет увеличить соотношение сигнал/шум и коэффициент оптико-терагерцевой конверсии антенны за счет значительного уменьшения темнового (шумового) тока по сравнению с фотопроводящей антенной, планарно нанесенной на поверхность полупроводникового слоя, независимо от его однородности или состава. Повышение уровня полезного сигнала в фотопроводящих антеннах является чрезвычайно важной задачей для наиболее эффективного использования таких антенн во всех областях, требующих наибольшей чувствительности или мощности генерируемого излучения.
Фотопроводящая антенна для использования в системах ТГц-спектроскопии представляет собой два электропроводящих контакта (электрода) требуемой топологии, нанесенных на поверхность фотопроводящего слоя и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, к которым приложена разность потенциалов. Зазор между электродами освещается ультракоротким импульсом накачки длительностью порядка нескольких фемтосекунд, что приводит к появлению фотовозбужденных носителей заряда и практически мгновенному переводу антенны в проводящее состояние, во время которого она излучает электромагнитный импульс ТГц диапазона. Мощность этого импульса зависит в том числе от отношения величины фототока к темновому току, который определяется характеристиками материала и площадью контактов, по которой происходит утечка. В патенте [US 5729017 A], принятом за прототип, описывается стандартная технология изготовления фотопроводящей антенны, в которой антена формируется напылением системы металлов Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Ag, силицидов или легированного поликристаллического кремния на подложку с фотопроводящим слоем по маске с нужной топологией с последующим "взрывом". Чаще всего в качестве фотопроводящего слоя используется низкотемпературный арсенид галлия (LT-GaAs), обладающий высоким удельным сопротивлением. Это позволяет уменьшить темновой ток и разогрев фотопроводника за счет быстрой рекомбинации носителей заряда, которые при фотовозбуждении находятся глубоко в объеме и не могут дать вклад в формирование ТГц импульса, а также увеличить прикладываемую разность потенциалов к электродам фотопроводящей антенны. Однако даже при использовании высокоомного материала для фотопроводящего слоя в такой технологии темновой ток может быть достаточно высок, поскольку никак специально не ограничивается и протекает по всей возможной площади в зависимости от топологии антенны.
Существуют различные подходы к повышению эффективности работы фотопроводящей антенны. С одной стороны, это модификация свойств или топологии фотопроводящего материала. В патенте [DE 102006010297 В3] предлагается использовать специальную конструкцию фотопроводящей области полупроводниковой структуры, которая состоит из распределенного брэгговского отражателя снизу и четвертьволнового отражателя сверху, между которыми расположены фотопоглощающие системы слоев толщиной λ/2. Такая конструкция служит резонатором, в котором прошедшее и не поглощенное в активных слоях излучение переотражается и может многократно проходить через фотопоглощающие слои. Степень поглощения оптического импульса в такой структуре может составлять 98%, что приводит к увеличению фототока, но не оказывает никакого влияния на темновой ток. Вместо фотопроводящего слоя на основе LT-GaAs можно использовать соединения на основе InGaAs, имеющего существенно более высокую подвижность электронов, чем GaAs. Для уменьшения времени жизни носителей в таких структурах формируется сверхрешетка, в которой между слоями InGaAs помещены широкозонные слои InAlAs, выращенные при пониженной температуре [R. J. В. Dietz, М. Gerhard, D. Stanze, М. Koch, В. Sartorius, М. Schell, THz generation at 1.55 μm excitation: six-fold increase in THz conversion efficiency by separated photoconductive and trapping regions / OPTICS EXPRESS (2011) V. 19, No. 27, Р. 25911]. Это приводит к возникновению центров рекомбинации в них, что повышает удельное сопротивление структуры при сохранении подвижности в InGaAs. Поскольку проводимость в такой системе выше, чем в высокоомных образцах на основе LT-GaAs, при изготовлении фотопроводящих антенн требуются дополнительные меры для уменьшения темнового тока такие, как вытравливание меза-изоляции вокруг активной области в зазоре электродов антенны [Н. Roehle, R. J. В. Dietz, Н. J. Hensel, J. H. D. Stanze, M. Schell, Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers / OPTICS EXPRESS (2010), V. 18, No. 3, P. 2296]. Меза-изоляция, хотя и является эффективным способом ограничения темнового тока в некоторых структурах, совершенно неэффективна при использовании в качестве фотопроводника однородных материалов большой толщины, например, полуизолирующего GaAs.
С другой стороны, повысить эффективность ФПА можно с помощью модификация топологии антенны или материала электродов. В [GB 2392779 A, GB 2409337 А] используются высокоомные контакты антенны на основе окислов соединения олова с индием. Это приводит к увеличению высокочастотной доли в спектре излучения антенны с одновременным уменьшением низкочастотных компонент. Недостатком является уменьшение напряженности электрического поля в зазоре, что негативно сказывается на величине фототока. Одним из наиболее перспективных способов увеличения эффективности ФПА является использование плазмонного резонанса [US 8785855 B2, US 20140346357 A1]. Эффект проявляется за счет передачи энергии импульса оптической накачки через щелевые волноводы, образованные металлическими электродами в виде ламелей определенной топологии. Электроды формируются на краю электрода фотопроводящей антенны со стороны положительного потенциала. Аспектное соотношение и высота электродов зависят от длины волны и материала фотопроводника и рассчитываются из максимума коэффициента передачи энергии через канализированные моды в щелевых волноводах, образованных металлическими ламелями. Оптический импульс с р-поляризацией при накачке фокусируется на электродах плазмонной решетки. Таким образом, за счет плазмонного резонанса происходит передача энергии импульса накачки через щелевые волноводы, а за счет существенного увеличения площади поверхности электрического контакта антенны возрастает фототок. При этом технические решения, позволяющие уменьшить величину темнового тока, и, таким образом, еще повысить эффективность антенны, не применяются.
Техническим результатом изобретения является универсальная, воспроизводимая и легко контролируемая на каждом этапе технология формирования фотопроводящих антенн, в которых металлизация антенны лежит на диэлектрическом слое с окнами, которым покрыта поверхность фотопроводящего слоя. Окна в диэлектрическом слое обеспечивают электрический контакт металлизации антенны с полупроводником. Благодаря этому значительно улучшаются характеристики прибора, в частности, темновой ток в отсутствие импульса оптической накачки может быть уменьшен на несколько порядков по сравнению антенной, в которой металлизация нанесена на поверхность полупроводника, что значительно увеличивает соотношение сигнал/шум и эффективность оптико-терагерцевого преобразования такой антенны. Универсальность предлагаемой технологии заключается в том, что для улучшения характеристик она может применяться практически к любой технологии формирования фотопроводящих антенн, вне зависимости от топологии, материала фотопроводящего слоя или антенны, включая контакты с плазмонной решеткой.
Технический результат достигается за счет уменьшения площади поверхности, на которой возникают токи утечки. Контакт металлизации фотопроводящей антенны с полупроводником осуществляется через окна в диэлектрическом слое, находящиеся непосредственно в области оптической накачки. Для этого достаточно нанести на поверхность фотопроводника диэлектрический слой, сформировать окна в местах контакта металлизации с фотопроводящим слоем и обеспечить конформное (безразрывное) нанесение металлизации антенн на краях окон. Поскольку большая часть металлизации антенны в таком случае лежит на диэлектрическом слое, как фототок, так и ток утечки может течь только в местах контакта металлизации с полупроводником. Таким образом, величина тока утечки будет определяться не общей площадью металлизации антенны, а площадью окон в диэлектрическом слое, которая в сотни раз меньше площади металлизации антенны.
Способ позволяет формировать фотопроводящую антенну с контролируемыми параметрами геометрии, такими как топология металлизации антенны и окон в диэлектрическом слое. Способ отличается универсальностью и простотой за счет использования ограниченного количества видов технологических операций, в которые входят только стандартные процессы литографии, нанесения и травления диэлектрика, а также напыления металлов.
Суть изготовления фотопроводящей антенны для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона заключается в нанесении слоя диэлектрика на поверхность полупроводника (фотопроводящего слоя), нанесении слоя фоторезиста и последующим формированием литографической маски и вскрытии окон в диэлектрическом слое методом жидкостного или плазмохимического травления. После этого наносится фоторезист для взрывной литографии, экспонируется и проявляется рисунок металлизации фотопроводящих антенн с контактными площадками. Затем в зависимости от выбранного типа травления окон напыляется металлизация антенн методом, обеспечивающим конформность (безразрывность) металлизации на краях ступеней окна и с помощью "взрыва" удаляется оставшийся металл.
Фиг. 1. и Фиг. 2. Снимки растрового электронного микроскопа области зазора между электродами фотопроводящих антенн различной топологии, изготовленных согласно примеру 1.
ПРИМЕР 1.
Предлагаемый способ позволяет сформировать фотопроводящую антенну с любой требуемой топологией, металлизация которой лежит на поверхности диэлектрического слоя, а электрический контакт антенны с фотопроводящим слоем обеспечивается через окна в диэлектрике и включает в себя следующую последовательность операций.
1. На полупроводниковую структуру с фотопроводящим слоем наносится слой диэлектрика, например, SiNx. Толщина диэлектрика выбирается таким образом, чтобы она обеспечивала изоляцию металлизации антенны от фотопроводящего слоя с одной стороны и формирование наклонных стенок при жидкостном травлении окон с другой.
2. На поверхность слоя диэлектрика наносится слой фоторезиста, например, S1818 для формирования литографической маски окон в диэлектрике и границ отдельных кристаллов с фотопроводящими антеннами.
3. Экспонирование и проявление рисунка для вскрытия окон и границ кристаллов в диэлектрике.
4. Жидкостное травление в буферном травителе, например, HF окон в диэлектрике по сформированной маске.
5. Нанесение слоя фоторезиста, например, S1818 для формирования литографической маски фотопроводящих антенн и последующего удаления остатков металла методом "взрыва".
6. Экспонирование и проявление рисунка топологии фотопроводящих антенн.
7. Термическое напыление металла фотопроводящих антенн, и его "взрыв" в соответствующем растворителе, например, н-метилпирролидоне.
ПРИМЕР 2.
Отличается от примера 1 тем, что в пункте 4 используется плазмохимическое травление окон в диэлектрике, при котором из-за анизотропного травления формируются вертикальные границы ступени. А в п. 7 для конформного (безразрывного) напыления металла антенны на ступень применяется магнетронное распыление.
Claims (1)
- Способ изготовления фотопроводящих антенн, включающий в себя нанесение диэлектрического слоя на поверхность фотопроводящего слоя, нанесение фоторезиста и последующее формирование маски окон в диэлектрике, жидкостное травление окон по маске, нанесение фоторезиста и формирование маски для металлизации антенны, термическое нанесение металлизации фотопроводящей антенны с последующим удалением остатков металла методом "взрывом", отличающийся тем, что металлизация фотопроводящей антенны наносится на диэлектрический слой, которым покрыта поверхность фотопроводящего слоя, а электрический контакт металлизации с полупроводником осуществляется через предварительно вскрытые окна в диэлектрическом слое.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018126912A RU2731166C2 (ru) | 2018-07-19 | 2018-07-19 | Способ изготовления фотопроводящих антенн |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018126912A RU2731166C2 (ru) | 2018-07-19 | 2018-07-19 | Способ изготовления фотопроводящих антенн |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018126912A RU2018126912A (ru) | 2020-01-20 |
RU2018126912A3 RU2018126912A3 (ru) | 2020-04-16 |
RU2731166C2 true RU2731166C2 (ru) | 2020-08-31 |
Family
ID=69171052
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018126912A RU2731166C2 (ru) | 2018-07-19 | 2018-07-19 | Способ изготовления фотопроводящих антенн |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2731166C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2755003C1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-09-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Терагерцовые оптоэлектронные решения" | Многослойный материал для фотопроводящих антенн |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5729017A (en) * | 1996-05-31 | 1998-03-17 | Lucent Technologies Inc. | Terahertz generators and detectors |
WO2013112608A1 (en) * | 2012-01-23 | 2013-08-01 | The Regents Of The University Of Michigan | Photoconductive device with plasmonic electrodes |
US8785855B2 (en) * | 2012-10-16 | 2014-07-22 | Uvic Industry Partnerships Inc. | Interlaced terahertz transceiver using plasmonic resonance |
US8878134B2 (en) * | 2012-01-18 | 2014-11-04 | Seiko Epson Corporation | Photoconductive antenna, terahertz wave generating device, camera, imaging device, and measuring device |
KR20150081149A (ko) * | 2014-01-03 | 2015-07-13 | 삼성전자주식회사 | 광전도 안테나 |
RU2610222C1 (ru) * | 2015-12-02 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Материал для фотопроводящих антенн |
-
2018
- 2018-07-19 RU RU2018126912A patent/RU2731166C2/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5729017A (en) * | 1996-05-31 | 1998-03-17 | Lucent Technologies Inc. | Terahertz generators and detectors |
US8878134B2 (en) * | 2012-01-18 | 2014-11-04 | Seiko Epson Corporation | Photoconductive antenna, terahertz wave generating device, camera, imaging device, and measuring device |
WO2013112608A1 (en) * | 2012-01-23 | 2013-08-01 | The Regents Of The University Of Michigan | Photoconductive device with plasmonic electrodes |
US8785855B2 (en) * | 2012-10-16 | 2014-07-22 | Uvic Industry Partnerships Inc. | Interlaced terahertz transceiver using plasmonic resonance |
KR20150081149A (ko) * | 2014-01-03 | 2015-07-13 | 삼성전자주식회사 | 광전도 안테나 |
RU2610222C1 (ru) * | 2015-12-02 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Материал для фотопроводящих антенн |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2755003C1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-09-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Терагерцовые оптоэлектронные решения" | Многослойный материал для фотопроводящих антенн |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2018126912A (ru) | 2020-01-20 |
RU2018126912A3 (ru) | 2020-04-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11231318B2 (en) | Photoconductive detector device with plasmonic electrodes | |
Apostolopoulos et al. | THz emitters based on the photo-Dember effect | |
Gregory et al. | Optimization of photomixers and antennas for continuous-wave terahertz emission | |
US7609208B2 (en) | Electrodes on a photoconductive substrate for generation and detection of terahertz radiation | |
RU2507544C2 (ru) | Устройство и способ для детектирования электромагнитного излучения | |
US8067754B2 (en) | Photoconductive device | |
US5663639A (en) | Apparatus and method for optical heterodyne conversion | |
US7847254B2 (en) | Photoconductive device | |
US10121926B2 (en) | Graphene-based detector for W-band and terahertz radiations | |
US20060151722A1 (en) | Coherent thz emitter with dc power reducing resistor | |
WO2008054846A2 (en) | Photomixer for generation of coherent terahertz radiation and radiation detection | |
RU2731166C2 (ru) | Способ изготовления фотопроводящих антенн | |
JP6391576B2 (ja) | フォトミキサおよびその製造方法 | |
CN207883688U (zh) | 一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片 | |
Wang et al. | Optimised THz photoconductive devices based on low‐temperature grown III–V compound semiconductors incorporating distributed Bragg reflectors | |
Cabello et al. | Terahertz emission enhancement of gallium-arsenide-based photoconductive antennas by silicon nanowire coating | |
Isgandarov et al. | Terahertz emission enhancement of GaAs-based photoconductive antennas via the nanodecoration of their surface by means of pulsed-laser-deposition of gold nanoparticles | |
CN108461481B (zh) | 一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片及其制备方法 | |
Turan et al. | Impact of metallization on the performance of plasmonic photoconductive terahertz emitters | |
RU2755003C1 (ru) | Многослойный материал для фотопроводящих антенн | |
Gaubert et al. | THz fractal antennas for electrical and optical semiconductor emitters and receptors | |
Biyikli et al. | High-Speed visible-blind resonant cavity enhanced AlGaN Schottky photodiodes | |
Al-Daffaie et al. | Fully integrated vertical nanocontact photomixer for continuous-wave terahertz generation | |
Constant et al. | New capabilities of GaAs detectors for UV applications | |
Kamarauskas et al. | Voltage controlled Fabry–Perot modulator |