阅读说明：本技术 台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法 (Mesa type silicon-based impurity-blocking band terahertz detector and preparation method thereof ) 是由 陈雨璐 童武林 王兵兵 王晓东 刘文辉 陈栋 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法,包括：负电极部件(4)、衬底部件、吸收层部件(3)、阻挡层部件、金属光栅部件(2)以及正电极部件(1)；所述正电极部件(1)设置于阻挡层部件上方；所述吸收层部件(3)设置于正电极部件(1)下方；所述负电极部件(4)设置于衬底部件下侧；所述金属光栅部件(2)设置于阻挡层部件上方；所述正电极部件(1)包括：正电极接触区构件(101)；所述正电极接触区构件(101)设置于正电极部件(1)的下部。本发明基于亚波长金属光栅的等离激元共振效应,利用金属等离激元的近场局域特性,当降低吸收层的厚度时,保持器件吸收层的有效吸收效率。(The invention provides a mesa silicon-based impurity band blocking terahertz detector and a preparation method thereof, wherein the mesa silicon-based impurity band blocking terahertz detector comprises the following steps: a negative electrode part (4), a substrate part, an absorption layer part (3), a barrier layer part, a metal grating part (2), and a positive electrode part (1); the positive electrode part (1) is arranged above the barrier part; the absorption layer component (3) is arranged below the positive electrode component (1); the negative electrode part (4) is arranged on the lower side of the substrate part; the metal grating part (2) is arranged above the barrier layer part; the positive electrode component (1) includes: a positive electrode contact region member (101); the positive electrode contact region member (101) is disposed at a lower portion of the positive electrode part (1). The invention is based on the plasmon resonance effect of the sub-wavelength metal grating, utilizes the near-field local characteristic of the metal plasmon, and maintains the effective absorption efficiency of the absorption layer of the device when the thickness of the absorption layer is reduced.)

台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体地，涉及一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法，尤其涉及一种集成亚波长金属光栅的台面式硅掺磷阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法。

背景技术

甚长波红外至太赫兹波段光电探测技术由于涉及国家安全、天文观测、人体安检、无损探伤等领域的应用，已经受到国内外科研工作者的极大关注。硅基阻挡杂质带探测器工作在10K以下的低温环境中，可对5～40μm波段范围内的甚长波红外至太赫兹波段辐射进行有效探测，在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用前景。硅基阻挡杂质带探测器主要有两种器件结构及制备工艺：一种是平面型结构及制备工艺，另一种是台面型结构及制备工艺。平面型硅基阻挡杂质带探测器通常采用离子注入形成吸收层，但由于离子注入会导致材料损伤，产生大量缺陷形成复合中心，制成的探测器暗电流较大，同时离子注入的深度通常小于1μm，难以形成较厚的吸收层，因此对入射的甚长波红外-太赫兹辐射响应率较低。针对平面型探测器存在的问题，研究人员对平面型探测器进行改进，研制出台面型探测器。台面型探测器通常是在高导衬底上依次连续外延生长吸收层和阻挡层，正电极设置在阻挡层的顶部，负电极设置在高导衬底的底部。台面型硅基阻挡杂质带探测器是便于调节吸收层厚度及掺杂浓度，缺点是受限于器件制备工艺水平、材料掺杂质量和器件厚度的制约，台面型硅基探测器件仍然存在光电响应低与暗电流大等问题。而且，国际上现有的硅基阻挡杂质带探测器响应主要集中在甚长波红外波段，在30μm以上的太赫兹波段响应性能较差。

专利文献CN110784251A公开了一种与天线阵列有关的装置和方法。该方法可以包括：从天线阵列的多个子阵列中的每个子阵列向一个或多个远程用户终端传输参考信号，每个子阵列包括能够与远程通信节点建立回程链路的天线阵列的一定数量的辐射元件。该方法还可以包括：从一个或多个远程用户终端接收测量信号，该测量信号指示所接收的参考信号的一个或多个特性。该方法还可以包括：基于所接收的测量信号来选择用于与远程通信节点进行回程通信的子阵列的第一子集和用于与一个或多个远程用户终端进行接入通信的子阵列的第二子集，第二子集包括剩余子阵列中的一个或多个子阵列。该专利的结构和性能仍然有待提升的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器及制备方法。

根据本发明提供的一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器，其特征在于，包括：负电极部件4、高导硅衬底部件、吸收层部件3、阻挡层部件、金属光栅部件2、以及正电极部件1；所述正电极部件1设置于阻挡层部件上方；所述吸收层部件3设置于正电极部件1下方；所述负电极部件4设置于衬底部件下侧；所述金属光栅部件2设置于阻挡层部件上方；所述正电极部件1包括：正电极接触区构件101；所述正电极接触区构件101设置于正电极部件1的下部。

优选地，所述吸收层部件3采用硅掺磷吸收层。

优选地，所述阻挡层部件采用硅阻挡层部件；所述硅阻挡层部件的阻值大于设定阈值。

优选地，所述衬底部件采用硅衬底；所述硅衬底的导值大于设定阈值。

优选地，所述金属光栅部件2包括：金属光栅；所述金属光栅的周期为8-32μm。

优选地，所述金属光栅的厚度为2-7μm；所述金属光栅的占空比为1/4-3/4。

优选地，正电极接触区构件101采用磷离子注入形成。

根据本发明提供的一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器制备方法，包括：步骤S1：在高导硅衬底上沿着硅衬底的<100>晶向掺杂磷离子生长吸收层，厚度为3-10μm，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；步骤S2：在高掺杂磷离子的吸收层上，沿着吸收层的<100>晶向生长阻挡层，厚度为1-6μm，不故意掺杂任何离子；步骤S3：高导硅衬底下侧进行减薄抛光，并在高导硅基衬底下侧沉积金属层Ti/Al/Ni/Au；步骤S4：氮气氛退火，并加厚电极形成负电极；步骤S5：光刻并沉积金属Ni/Au形成光刻标记；步骤S6：光刻形成离子注入区所需掩膜窗口；步骤S7：在阻挡层的上表面离子注入形成正电极接触区；步骤S8：氮气氛快速热退火RTP，修复离子注入时被破坏的晶格损伤，激活注入杂质离子；步骤S9：沉积正电极金属层Ti/Al/Ni/Au，退火并加厚形成正电极；步骤S10：在阻挡层上方且正电极一侧，光刻形成周期结构的金属光栅所需掩膜窗口；步骤S11：沉积Ti/Al金属层，形成金属光栅；步骤S12：砂轮划片，金丝球焊打线，封装。

优选地，所述步骤S10包括：步骤S10.1：采用负胶KMPR1010形成掩膜窗口，制备金属光栅。

优选地，所述步骤S11包括：步骤S11.1：采用电子束蒸发的沉积方式，沉积Ti/Al金属层，形成金属光栅。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于亚波长金属光栅的等离激元共振效应，利用金属等离激元的近场局域特性，当降低吸收层的厚度时，保持器件吸收层的有效吸收效率；

2、本发明中，减薄吸收层厚度，等效于减小器件吸收层的体积，减少与暗电流相关的缺陷和杂质，进而降低器件暗电流，提升探测器光电响应的信噪比；

3、本发明通过改变金属光栅周期结构参数来调控等离激元共振波长，实现探测器在甚长波红外至太赫兹波段的宽光谱范围内选择性增强吸收且波段可调，进而提升了探测器对该波段的光电响应性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中的一种集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器的结构示意图。

图2为本发明实施例中的一种集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器中的金属光栅结构示意图。

图3为本发明实施例中的不同金属光栅周期下的器件吸收谱线示意图。

图4为本发明实施例中的不同金属光栅周期与峰值吸收率及峰值波长的变化关系示意图。

图5为本发明实施例中的固定金属光栅厚度和占空比，不同金属光栅周期下器件结构的光场分布示意图。

图6为本发明实施例中的不同金属光栅厚度下的器件吸收谱线示意图。

图7为本发明实施例中的不同金属光栅厚度与峰值吸收率及峰值波长的变化关系示意图。

图8为本发明实施例中的固定金属光栅周期和占空比，不同金属光栅厚度下器件结构的光场分布示意图。

图9为本发明实施例中的不同金属光栅占空比下的器件吸收谱线示意图。

图10为本发明实施例中的不同金属光栅占空比与峰值吸收率及峰值波长的变化关系示意图。

图11为本发明实施例中的固定金属光栅周期和厚度，不同金属光栅占空比下器件结构的光场分布示意图。

图中：

正电极部件1 吸收层部件3

正电极接触区构件101 负电极部件4

金属光栅部件2

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-11所示，根据本发明提供的一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器，其特征在于，包括：负电极部件4、高导硅衬底部件、吸收层部件3、阻挡层部件、金属光栅部件2、以及正电极部件1；所述正电极部件1设置于阻挡层部件上方；所述吸收层部件3设置于正电极部件1下方；所述负电极部件4设置于衬底部件下侧；所述金属光栅部件2设置于阻挡层部件上方；所述正电极部件1包括：正电极接触区构件101；所述正电极接触区构件101设置于正电极部件1的下部。

优选地，所述吸收层部件3采用硅掺磷吸收层。

优选地，所述阻挡层部件采用硅阻挡层部件；所述硅阻挡层部件的阻值大于设定阈值。

优选地，所述衬底部件采用硅衬底；所述硅衬底的导值大于设定阈值。

优选地，所述金属光栅部件2包括：金属光栅；所述金属光栅的周期为8-32μm。

优选地，所述金属光栅的厚度为2-7μm；所述金属光栅的占空比为1/4-3/4。

优选地，正电极接触区构件101采用磷离子注入形成。

具体地，在一个实施例中，一种集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带探测器及制备方法，该集成金属光栅的阻挡杂质带探测器，从下向上依次包括负电极、高导硅衬底、硅掺磷吸收层、高阻硅阻挡层、金属光栅、正电极接触区和正电极。其中，正电极位于阻挡层上方，负电极位于高导衬底下侧；金属光栅设置于所述阻挡层上方且正电极一侧。

作进一步改进，所述衬底为掺杂砷元素的高导硅衬底。

作进一步改进，所述正电极接触区为磷离子注入形成。

作进一步改进，所述吸收层掺杂磷离子。

优选地，所述金属光栅采用Ti/Al金属层，周期8～32μm，厚度2～7μm，占空比1/4～3/4。

根据本发明提供的一种台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器制备方法，包括：步骤S1：在高导硅衬底上沿着硅衬底的<100>晶向掺杂磷离子生长吸收层，厚度为3-10μm，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；步骤S2：在高掺杂磷离子的吸收层上，沿着吸收层的<100>晶向生长阻挡层，厚度为1-6μm，不故意掺杂任何离子；步骤S3：高导硅衬底下侧进行减薄抛光，并在高导硅基衬底下侧沉积金属层Ti/Al/Ni/Au；步骤S4：氮气氛退火，并加厚电极形成负电极；步骤S5：光刻并沉积金属Ni/Au形成光刻标记；步骤S6：光刻形成离子注入区所需掩膜窗口；步骤S7：在阻挡层的上表面离子注入形成正电极接触区；步骤S8：氮气氛快速热退火(RTP)，修复离子注入时被破坏的晶格损伤，激活注入杂质离子；步骤S9：沉积正电极金属层Ti/Al/Ni/Au，退火并加厚形成正电极；步骤S10：在阻挡层上方且正电极一侧，光刻形成周期结构的金属光栅所需掩膜窗口；步骤S11：沉积Ti/Al金属层，形成金属光栅；步骤S12：砂轮划片，金丝球焊打线，封装。

优选地，所述步骤S10包括：步骤S10.1：采用负胶KMPR1010形成掩膜窗口，制备金属光栅。

优选地，所述步骤S11包括：步骤S11.1：采用电子束蒸发的沉积方式，沉积Ti/Al金属层，形成金属光栅。

具体地，在一个实施例中，一种集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器，器件结构为台面型。高导硅衬底之上依次为硅掺磷吸收层、阻挡层，高导硅衬底下方设置负电极；阻挡层的上表面区域为正电极接触层，阻挡层上方设置正电极和金属光栅，且正电极与金属光栅相邻。

一种集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器的简要制备步骤如下：

步骤S1：如图1所示，在高导硅衬底上沿着硅衬底的<100>晶向掺杂磷离子生长吸收层，厚度为3～10μm，掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3；

步骤S2：在硅掺磷吸收层上，沿着吸收层的<100>晶向生长阻挡层，厚度为1～6μm，不故意掺杂任何离子；

步骤S3：高导硅衬底下侧进行减薄抛光，并在高导硅衬底下侧沉积金属层Ti/Al/Ni/Au；

步骤S4：氮气氛退火，并加厚电极形成负电极；

步骤S5：光刻并沉积金属Ni/Au形成光刻标记；

步骤S6：光刻形成离子注入区所需掩膜窗口；

步骤S7：在阻挡层的上表面离子注入形成正电极接触区；

步骤S8：氮气氛快速热退火(RTP)，修复离子注入时被破坏的晶格损伤，激活注入的掺杂离子；

步骤S9：沉积正电极金属层Ti/Al/Ni/Au，退火并加厚形成正电极；

步骤S10：在阻挡层上方且正电极一侧，光刻形成金属光栅所需掩膜窗口；

步骤S11：沉积Ti/Al金属层，形成金属光栅。

步骤S12：砂轮划片，金丝球焊打线，封装。

下面对本发明提出的制备方法进行更为详细的说明：

第一步，高导硅衬底清洗：首先采用丙酮和异丙醇各分别超声15分钟，去离子水冲洗，去除有机污染物；再依次用体积配比为NH4OH：H2O＝1：10的溶液浸泡15分钟，体积配比为HCl：H2O＝1：10的溶液浸泡3分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，以去除表面氧化物颗粒污染物；

第二步，化学气相沉积生长吸收层：在高导硅衬底上，采用化合物化学气相沉积工艺外延生长硅掺磷吸收层，生长厚度为3～10μm，掺杂磷离子，掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3；

第三步，化学气相沉积生长阻挡层：在硅掺磷吸收层上，采用化学气相沉积工艺外延生长本征硅阻挡层，生长厚度为1～6μm，不故意掺杂任何离子；

第四步，高导硅衬底减薄抛光：采用减薄机将高导硅衬底下表面减薄去除20～30μm，再采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)，使得高导硅衬底下侧表面粗糙度小于50nm；

第五步，蒸镀负电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀负电极，从下到上依次蒸镀Ti、Al、Ni和Au，蒸镀厚度分别为20nm、120nm、20nm和100nm；

第六步，负电极退火：采用退火工艺，在氮气气氛中，退火温度为450℃，退火温度保持时间为30分钟，以使电极形成良好的欧姆接触；

第七步，加厚负电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀负电极，在高导硅衬底表面从下到上依次蒸镀Ni和Au，蒸镀厚度分别为20nm、260nm，完成负电极的制备；

第八步，第一次光刻：在本征硅阻挡层上表面旋涂正胶AZ5214，厚度1.2μm，曝光显影，以形成光刻标记区域掩膜窗口；

第九步，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

第十步，蒸镀光刻标记：采用电子束蒸发工艺制备光刻标记，在本征硅阻挡层表面蒸镀光刻标记，真空度5×10-4Pa，依次蒸镀Ni、Au金属膜，厚度分别为20nm、180nm；

第十一步，剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗10分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

第十二步，第二次光刻：在本征硅阻挡层表面甩正胶AZ5214，厚度1.8μm，曝光显影，以形成离子注入区域掩膜窗口；

第十三步，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，进一步去除曝光显影后残留的光刻胶底膜；

第十四步，离子注入：在阻挡层的上表面，采用离子注入工艺，注入离子为磷离子，注入能量为20～50keV，注入剂量为1×1014cm-2～7×1014cm-2；

第十五步，快速热退火：在氮气气氛中，采用快速热退火工艺，退火温度为900～1000℃，退火温度保持时间为5～20秒，激活注入离子及修复晶格损伤，形成正电极接触区；

第十六步，第三次光刻：在阻挡层表面匀正胶AZ5214，厚度1.2μm，曝光显影，以形成蒸镀正电极所需掩膜窗口；

第十七步，蒸镀正电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀正电极，在阻挡层表面从下到上依次蒸镀Ti、Al、Ni和Au，蒸镀厚度分别为20nm、120nm、20nm和100nm；

第十八步，剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗30分钟，异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，得到正电极蒸镀区域；

第十九步，正电极退火：采用退火工艺，在氮气气氛中，退火温度为450℃，退火温度保持时间为30分钟，以使电极形成良好的欧姆接触；

第二十步，第四次光刻：在阻挡层表面匀正胶AZ5214，厚度1.2μm，曝光显影，以形成蒸镀正电极加厚所需掩膜窗口；

第二十一步，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；

第二十二步，加厚正电极：采用电子束蒸发工艺蒸镀负电极，从下到上依次蒸镀Ni和Au，蒸镀厚度分别为20nm、260nm，完成正电极的制备；

第二十三步，剥离：采用丙酮进行剥离，室温浸泡2小时，超声清洗20分钟，异丙醇超声清洗10分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

第二十四步，第五次光刻：在阻挡层的表面旋涂负胶KMPR1010，厚度10μm，曝光显影，以形成金属光栅结构蒸镀所需掩膜窗口；

第二十五步，等离子体去胶：采用氧气等离子体去胶工艺，去除干净曝光显影后残留的光刻胶底膜；

第二十六步，蒸镀金属光栅：采用电子束蒸发工艺蒸镀金属光栅，真空度5×10-4Pa，电子束能量100KeV，依次蒸镀Ti和Al，厚度分别为50nm，4950nm；

第二十七步，剥离：采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行剥离，水浴加热2小时，再用异丙醇超声清洗5分钟，去离子水冲洗，氮气吹干；

第二十八步，封装：采用砂轮划片及金丝球焊工艺，将器件正负电极引出，完成器件封装，至此完成集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器的整个制备工艺。

本发明所涉及探测器与传统硅基阻挡杂质带探测器对比，结果表明该发明探测器的光谱响应性能显著提升。基于金属光栅的光场局域和近场耦合增强效应，探测器吸收层厚度可减薄到10μm以下，仍然保持器件单元的光响应。此外探测器吸收层厚度的减薄使器件光敏元的体积下降，从而降低了暗电流，进而提高了信噪比(器件结构如图1所示)。图2中p表示金属光栅的周期，w表示金属条之间的间隔，d表示金属光栅的厚度。如图2所示，金属光栅结构参数包括周期(p)，厚度(d)及占空比(DR)，其中占空比定义为金属条之间的间隔(w)与周期(p)之比w/p。通过在硅基阻挡杂质带探测器上引入周期p＝32μm的金属光栅，可以使峰值波长从26.9μm移动至36.53μm，实现30μm以上太赫兹波段的光谱响应提升，如图3和图4所示。图5所示为固定光栅厚度，不同光栅周期下，峰值处的光场分布情况，表明等离子体激元引起金属光栅下方的光场局域共振，增强了吸收层对入射太赫兹波的吸收效率。进一步，与传统硅基阻挡杂质带探测器相比，引入金属光栅(结构参数：p＝8μm，d＝6μm，DR＝1/4)后的探测器峰值吸收率提高了87.3％，如图6和图7所示。因此，该探测器实现了选择性波长共振增强吸收和太赫兹波段光谱响应的可调。

通过上述的分析与说明，本发明集成金属光栅的台面式硅基阻挡杂质带太赫兹探测器实现了光谱响应性能提升和波段可调，由此证明本发明探测器的有效性。

本发明基于亚波长金属光栅的等离激元共振效应，利用金属等离激元的近场局域特性，当降低吸收层的厚度时，保持器件吸收层的有效吸收效率；本发明中，减薄吸收层厚度，等效于减小器件吸收层的体积，减少与暗电流相关的缺陷和杂质，进而降低器件暗电流，提升探测器光电响应的信噪比；本发明通过改变金属光栅周期结构参数来调控等离激元共振波长，实现探测器在甚长波红外至太赫兹波段的宽光谱范围内选择性增强吸收且波段可调，进而提升了探测器对该波段的光电响应性能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。