[发明专利]基于栅极肖特基接触的GaN HEMT太赫兹探测器

说明书

本发明公开了一种基于栅极肖特基接触的GaN HEMT太赫兹探测器。器件制备工艺主要包括：ICP刻蚀、紫外光刻、热蒸发、退火、电子束蒸发、剥离等。器件结构自下而上依次为：蓝宝石衬底、AlGaN过渡层、GaN缓冲层、AlN间隔层、AlGaN势垒层、GaN帽层。GaN/AlGaN异质界面的二维电子气具有超高的电子迁移率，且可与太赫兹波相互作用，产生等离子共振，增强对太赫兹辐射的吸收。此外，该器件集成了对数天线优异的场强耦合效果，并可以通过肖特基接触栅极实现器件开关与太赫兹响应的调控。本发明制作工艺简单、功耗低、栅控性能优异，可以实现室温下的高性能太赫兹探测。

技术领域

本发明涉及基于栅极肖特基接触的GaN HEMT太赫兹探测器。具体指利用GaN/AlGaN异质接触过程中，电子从宽禁带半导体AlGaN流向窄禁带半导体GaN中，并在GaN侧形成量子阱。异质结间较大的导带差会形成高的界面势垒，限制量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向上的移动。二维电子气中的电子远离杂质的库伦散射，具有超高的电子迁移率，为太赫兹低能光子的收集与探测提供了契机。本文优化了对数天线结构，增强了沟道处太赫兹光场的耦合强度。使用多层金属Ni/Au做肖特基接触省去了常规栅极需要长氧化层的步骤，具有低泄露电流、低电阻率、粘附性强等优势，为太赫兹探测器的性能提供了保障。

总的来说，集成了对数天线与肖特基栅极的GaN HEMT太赫兹探测器具有工艺简单、功耗低、栅控性能优异等特点。可以实现室温下的高性能太赫兹探测。

背景技术

太赫兹波(0.1-10THz)凭借其安全性好、瞬间带宽大、穿透性强等特点在无损探测、空间通讯、大气研究等领域大放异彩，太赫兹技术也因此被誉为“改变未来的十大技术之一”。作为太赫兹技术的“眼睛”——太赫兹探测器承担着实现光电转化的重要作用。其中光敏材料则起到了“视网膜”的作用，直接影响着探测器光电转换性能。现阶段的研究成果预示着以InGaAs、HgCdTe为代表的传统的光敏材料已经无法满足太赫兹探测器在室温下高灵敏度、快速响应、阵列集成等方面的需求。因此，在光敏材料的选择、制备工艺的优化等方面仍有较大的研究空间。

高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)是一种异质结场效应晶体管，也称为调制掺杂场效应晶体管或二维电子气场效应晶体管。以GaN HEMT为例，宽禁带AlGaN与窄禁带GaN构成了异质结，为了达到热平衡，电子从AlGaN流向GaN，此时由于导带不连续，在异质界面形成量子阱，使得电子的运动被束缚在一个二维平面内。势阱中的电子不会受电离杂质散射的影响，实现了高载流子浓度和高载流子迁移率的双赢。在场效应自混频太赫兹探测理论中，场效应晶体管在小偏压下的源漏电流为沟道电导与源漏电压之积。太赫兹天线将辐射耦合在沟道处，二维电子气感应出平行于沟道方向调控载流子漂移速度的横向电场和垂直于沟道方向控制载流子浓度的纵向电场。因此可以使用栅控的方法可实现太赫兹探测器响应的增强。

发明内容

本发明提出基于栅极肖特基接触的GaN HEMT太赫兹探测器。该探测器在对数天线高效耦合太赫兹辐射的有利条件下，通过源漏偏压和栅压控制沟道载流子漂移速度及浓度实现了探测器性能的增强。