[發明專利]天線耦合太赫茲探測器

有效

• 申請號: 201310079737.2
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103178150A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 劉惠春;楊耀;張月蘅
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L31/08
• 分類號: H01L31/08;H01L31/02;H01L31/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及到的技術領域為半導體光電探測技術，具體為一種天線增強的半導體太赫茲探測技術。

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背景技術

太赫茲波是是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長范圍大概在0.03到3mm范圍，介于微波與紅外之間。太赫茲探測和成像技術在國家安全、機場安檢、健康體檢、痕量物質分析等各方面具備重要的應用前景，意義重大。進入上個世紀80年代以后，隨著新材料和新技術的發展，尤其是特別是超快技術和半導體量子器件的發展，太赫茲技術得以迅速發展，在全世界范圍內涌現了太赫茲研究的熱潮。2004年，美國政府將太赫茲科技評為“改變未來世界的十大技術”之四，而日本更是將太赫茲技術列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。

?目前尚且缺乏緊湊、高效的太赫茲探測技術。現研究人員研究了子帶間躍遷太赫茲探測器，其將兩種不同的半導體材料交替生長形成周期外延層，若這兩種材料具有不同的帶隙或能帶結構，在異質界面處將發生能帶的不連續，勢阱中會產生束縛的分裂能級；當有光激發時，基態上的電子吸收光子能量后垂直躍遷到激發態，在外加偏置電壓下形成光電流，從而實現對太赫茲光的探測。半導體子帶間躍遷太赫茲探測器具備結構可調、工藝成熟、結構緊湊等突出優點。

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發明內容

為了克服現有技術的缺陷，本發明提供一種天線耦合太赫茲探測器，包括太赫茲天線、第一半導體襯底、第二半導體襯底以及半導體量子阱結構太赫茲探測器；所述太赫茲天線設置在所述第一半導體襯底上表面，所述第一半導體襯底下表面與第二半導體襯底的上表面連接，所述半導體量子阱結構太赫茲探測器設置在所述第二半導體襯底的底面；

所述太赫茲天線是太赫茲光的感光面,入射的太赫茲電磁波在所述太赫茲天線的作用下，向所述半導體量子阱太赫茲探測器件所在位置匯聚，所述半導體量子阱太赫茲探測器件接收并分析經所述太赫茲天線匯聚的太赫茲電磁波。

較佳地，所述太赫茲天線為二維金屬層，其形狀以及尺寸與所需探測的太赫茲波長匹配，所述太赫茲天線實現對太赫茲光的匯聚。

較佳地，所述太赫茲天線為螺旋形天線或四個電偶極天線。

較佳地，所述半導體量子阱結構太赫茲探測器為半導體結構，其利用半導體量子阱結構中的子帶間躍遷實現對太赫茲光子吸收，進而產生光電子，從而實現對太赫茲光波的探測。

較佳地，所述半導體量子阱結構太赫茲探測器利用分子束外延技術或者金屬有機化學氣相沉積技術在所述第二半導體襯底上生長制備獲得。

較佳地，所述第一半導體襯底為Si襯底或GaAs襯底，所述第二半導體襯底為GaAs襯底。

較佳地，所述第一半導體襯底與第二半導體襯底通過晶體鍵合連接的。

一種天線耦合太赫茲探測器的制作方法，其包括以下步驟：

首先在第一襯底的上表面生成太赫茲天線，然后在第二襯底的下表面生成半導體量子阱結構太赫茲探測器，最后將第一襯底的下表面與第二襯底的上表面通過晶片鍵合的方式結合在一起形成本發明提供的天線耦合太赫茲探測器。

較佳地，所述半導體量子阱結構太赫茲探測器的形成方法包括以下步驟：

首先，在所述第二襯底下表面依次生成：未摻雜的GaAs緩沖層、n型摻雜的GaAs下電極層、多層量子阱太赫茲吸收層、第一AlGaAs勢壘層以及n型摻雜的GaAs上電極層；

然后在所述n型摻雜的GaAs上電極層表面沉積、光刻、刻蝕生成金屬電極，得到半導體量子阱結構太赫茲探測器。

較佳地，所述各量子阱太赫茲吸收層分別包括第二AlGaAs勢壘層與GaAs勢阱層，所述第二AlGaAs勢壘層與GaAs勢阱層中心經Si摻雜。

較佳地，所述太赫茲天線的生成方法為：

選用Si或GaAs材質制作符合待檢測太赫茲波長的第一襯底，在第一襯底上沉積、光刻、刻蝕形成所需的金屬天線。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

1.?本發明利用天線匯聚入射的太赫茲光，而太赫茲探測器位于天線匯聚的焦點上，從而顯著提高所探測的太赫茲光強，與此同時，太赫茲探測器器件本身的面積很小，因此暗電流和暗電流噪聲也很小，從而顯著提高探測性能；

2.?利用天線，可以獲得較強的太赫茲光強，根據理論計算可知，這一效應將有效提高器件的工作溫度，在天線匯聚效果足夠好時，有望將器件的背景限制溫度（器件工作的理想溫度）提高10K至數十K；

3.?本發明利用光刻、刻飾等標準的半導體技術手段制備，其流程標準結構穩定，有益于大批量、低成本生產。