[发明专利]天线耦合太赫兹探测器

说明书

技术领域

本发明涉及到的技术领域为半导体光电探测技术，具体为一种天线增强的半导体太赫兹探测技术。

 

背景技术

太赫兹波是是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长范围大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。太赫兹探测和成像技术在国家安全、机场安检、健康体检、痕量物质分析等各方面具备重要的应用前景，意义重大。进入上个世纪80年代以后，随着新材料和新技术的发展，尤其是特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹技术得以迅速发展，在全世界范围内涌现了太赫兹研究的热潮。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

 目前尚且缺乏紧凑、高效的太赫兹探测技术。现研究人员研究了子带间跃迁太赫兹探测器，其将两种不同的半导体材料交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续，势阱中会产生束缚的分裂能级；当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到激发态，在外加偏置电压下形成光电流，从而实现对太赫兹光的探测。半导体子带间跃迁太赫兹探测器具备结构可调、工艺成熟、结构紧凑等突出优点。

 

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种天线耦合太赫兹探测器，包括太赫兹天线、第一半导体衬底、第二半导体衬底以及半导体量子阱结构太赫兹探测器；所述太赫兹天线设置在所述第一半导体衬底上表面，所述第一半导体衬底下表面与第二半导体衬底的上表面连接，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器设置在所述第二半导体衬底的底面；

所述太赫兹天线是太赫兹光的感光面,入射的太赫兹电磁波在所述太赫兹天线的作用下，向所述半导体量子阱太赫兹探测器件所在位置汇聚，所述半导体量子阱太赫兹探测器件接收并分析经所述太赫兹天线汇聚的太赫兹电磁波。

较佳地，所述太赫兹天线为二维金属层，其形状以及尺寸与所需探测的太赫兹波长匹配，所述太赫兹天线实现对太赫兹光的汇聚。

较佳地，所述太赫兹天线为螺旋形天线或四个电偶极天线。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器为半导体结构，其利用半导体量子阱结构中的子带间跃迁实现对太赫兹光子吸收，进而产生光电子，从而实现对太赫兹光波的探测。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器利用分子束外延技术或者金属有机化学气相沉积技术在所述第二半导体衬底上生长制备获得。

较佳地，所述第一半导体衬底为Si衬底或GaAs衬底，所述第二半导体衬底为GaAs衬底。

较佳地，所述第一半导体衬底与第二半导体衬底通过晶体键合连接的。

一种天线耦合太赫兹探测器的制作方法，其包括以下步骤：

首先在第一衬底的上表面生成太赫兹天线，然后在第二衬底的下表面生成半导体量子阱结构太赫兹探测器，最后将第一衬底的下表面与第二衬底的上表面通过晶片键合的方式结合在一起形成本发明提供的天线耦合太赫兹探测器。

较佳地，所述半导体量子阱结构太赫兹探测器的形成方法包括以下步骤：

首先，在所述第二衬底下表面依次生成：未掺杂的GaAs缓冲层、n型掺杂的GaAs下电极层、多层量子阱太赫兹吸收层、第一AlGaAs势垒层以及n型掺杂的GaAs上电极层；

然后在所述n型掺杂的GaAs上电极层表面沉积、光刻、刻蚀生成金属电极，得到半导体量子阱结构太赫兹探测器。

较佳地，所述各量子阱太赫兹吸收层分别包括第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层，所述第二AlGaAs势垒层与GaAs势阱层中心经Si掺杂。

较佳地，所述太赫兹天线的生成方法为：

选用Si或GaAs材质制作符合待检测太赫兹波长的第一衬底，在第一衬底上沉积、光刻、刻蚀形成所需的金属天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1. 本发明利用天线汇聚入射的太赫兹光，而太赫兹探测器位于天线汇聚的焦点上，从而显著提高所探测的太赫兹光强，与此同时，太赫兹探测器器件本身的面积很小，因此暗电流和暗电流噪声也很小，从而显著提高探测性能；

2. 利用天线，可以获得较强的太赫兹光强，根据理论计算可知，这一效应将有效提高器件的工作温度，在天线汇聚效果足够好时，有望将器件的背景限制温度（器件工作的理想温度）提高10K至数十K；

3. 本发明利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，其流程标准结构稳定，有益于大批量、低成本生产。