基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，包括硅襯底，所述硅襯底上的第一二氧化硅層，所述第一二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜微橋，所述六氮五鈮薄膜微橋兩端連接的金屬薄膜電極，位于所述六氮五鈮薄膜微橋上的第二二氧化硅層，以及位于所述第二二氧化硅層上的金薄膜偶極子天線。本發(fā)明還公開了制備上述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法。本發(fā)明的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器工作于室溫，具有較高靈敏度，且容易做成大規(guī)模陣列芯片。
【專利說明】基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法，具體是一種基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法，可應(yīng)用于太赫茲波段的微弱信號(hào)檢測(cè)和實(shí)時(shí)成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微測(cè)輻射熱計(jì)是目前應(yīng)用最為廣泛也是最為成功的熱探測(cè)器結(jié)構(gòu)，它利用熱敏材料的電阻率隨溫度變化的特性來傳感太赫茲輻射。在早期，人們?cè)?jīng)嘗試用常用金屬(鉍，鈮等)作為敏感材料，但隨著半導(dǎo)體材料及其制備技術(shù)研究的深入，以氧化釩和非晶硅為代表的半導(dǎo)體薄膜材料已取代金屬材料成為微測(cè)輻射熱計(jì)敏感材料的主流。但是氧化釩和非晶硅材料做成的微測(cè)熱輻射計(jì)對(duì)太赫茲波段的信號(hào)吸收不佳，靈敏度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種工作于室溫，具有較高靈敏度，且容易做成大規(guī)模陣列芯片的太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明米用的第一種技術(shù)方案為一種基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，包括硅襯底，所述硅襯底上的第一二氧化硅層，所述第一二氧化硅層上的六氮五鈮薄膜微橋，所述六氮五鈮薄膜微橋兩端連接的金屬薄膜電極，位于所述六氮五鈮薄膜微橋上的第二二氧化硅層，以及位于所述第二二氧化硅層上的金薄膜偶極子天線。所述第二二氧化硅層為電容的介質(zhì)層。
[0005]進(jìn)一步的，所述第二二氧化硅層通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝制備。二氧化硅電容的作用是補(bǔ)償或部分補(bǔ)償六氮五鈮薄膜微橋在高頻下的電感，調(diào)節(jié)不同工作頻率下負(fù)載的電抗，使六氮五鈮薄膜微橋與金薄膜偶極子天線之間能獲得一個(gè)好的阻抗匹配。
[0006]進(jìn)一步的，所述第二二氧化硅層的厚度為IOnm至200nm。
[0007]進(jìn)一步的，所述金屬薄膜電極的引線走向與金薄膜偶極子天線(簡(jiǎn)稱“天線”)的極化方向一致，避免干擾天線的電場(chǎng)分布。
[0008]第二二氧化硅層(電容)與六氮五鈮薄膜微橋共同構(gòu)成金薄膜偶極子天線的負(fù)載。
[0009]電容耦合的常溫太赫茲?rùn)z測(cè)器核心部分為六氮五鈮薄膜微橋，六氮五鈮薄膜微橋大小為4 MmX4 Mm，厚度為120 -150 nm，該薄膜將吸收的入射太赫茲光引起的溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。
[0010]六氮五鈮薄膜微橋結(jié)構(gòu)具有100 nm左右厚的二氧化硅支撐層。
[0011]六氮五鈮薄膜與硅襯底之間是空氣腔，其深度為1-5 Mm。
[0012]六氮五鈮薄膜微橋左右兩側(cè)對(duì)稱的空氣腔的大小均為10 MmX25 Mm。
[0013]六氮五鈮薄膜兩端具有與外部電路相連的金薄膜電極。
[0014]本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案為一種制備如上所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，包括如下步驟:(1)在硅襯底上生長(zhǎng)形成第一二氧化硅層；
(2)在第一二氧化娃層上磁控派射生長(zhǎng)六氮五銀薄膜；
(3)在六氮五鈮薄膜上光刻并用剝離的方法制備金薄膜電極；
(4)光刻并刻蝕制備六氮五銀薄膜微橋；
(5)在六氮五銀薄膜微橋上生長(zhǎng)第二二氧化娃層；
(6)在第二二氧化硅層上光刻并用剝離的方法制備金薄膜偶極子天線。
[0015]進(jìn)一步的，還包括如下步驟:
(7)在所述六氮五鈮薄膜微橋兩側(cè)光刻，形成刻蝕窗口圖形；
(8)使用濕法刻蝕的方法將所述刻蝕窗口圖形暴露出來的第一二氧化硅層去掉，使第一二氧化娃層下面的娃襯底暴露出來；
(9)使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將所述暴露出來的硅襯底刻蝕，從而形成空氣腔。
[0016]進(jìn)一步的，所述第二二氧化硅層的厚度為10 nm至200 nm。
[0017]進(jìn)一步的,所述六氮五銀薄膜的厚度為120 nm至150 nm。
[0018]進(jìn)一步的，所述娃襯底為聞阻娃襯底。
[0019]進(jìn)一步的，所述第一二氧化硅層的厚度為lOOnm。
[0020]第一二氧化硅層和第二二氧化硅層通過熱氧化的工藝制成。
[0021]有益效果:本發(fā)明提供了一種太赫茲?rùn)z測(cè)器及其制備方法，該檢測(cè)器工作于室溫，具有較高靈敏度，響應(yīng)速度快，且容易做成大規(guī)模陣列芯片等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波段微弱信號(hào)的檢測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是電容耦合的六氮五鈮常溫太赫茲?rùn)z測(cè)器(電容介質(zhì)厚度為200nm)，其中(a)是光學(xué)放大50倍的單個(gè)檢測(cè)器照片(b)是光學(xué)放大1000倍單個(gè)六氮五鈮微橋的照片。
[0023]圖2是含有空氣腔的六氮五鈮薄膜微橋垂直于圖1 (b)平面的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是太赫茲測(cè)器響應(yīng)電壓與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系圖。
[0025]圖4是太赫茲?rùn)z測(cè)器制備工藝流程圖。
[0026]圖5 Ca)至圖5 Cd)是太赫茲?rùn)z測(cè)器制備過程的部分光學(xué)照片。
[0027]圖中的標(biāo)記說明如下:
I表面具有100 nm左右厚二氧化娃的聞阻娃襯底 2六氮五銀薄膜微橋 3高阻硅襯底
4 二氧化硅絕熱支撐層(即第一二氧化硅層)
5六氮五鈮薄膜 6空氣腔 7金薄膜電極
8 二氧化硅電容介質(zhì)層(即第二二氧化硅層)
9金薄膜偶極子天線。
【具體實(shí)施方式】[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0029]本發(fā)明的基于耦合電容的六氮五鈮薄室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器較氧化釩和非晶硅的微測(cè)熱輻射計(jì)來說，對(duì)太赫茲信號(hào)具有更好的吸收，同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單，與微電子制造工藝相兼容，有利于制作大規(guī)模陣列。此外，工作在常溫，不需要制冷。這種基于耦合電容的六氮五鈮薄室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器在太赫茲成像和太赫茲通訊具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0030]圖1是電容耦合的六氮五鈮太赫茲?rùn)z測(cè)器，圖2是含有空氣腔的六氮五鈮薄膜微橋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)太赫茲波經(jīng)過金薄膜偶極子天線9耦合到六氮五鈮薄膜微橋2上時(shí)，六氮五鈮薄膜5因吸收能量溫度升高導(dǎo)致電阻變化，在一定的偏置電流下產(chǎn)生一變化的電壓，此電壓反映了入射太赫茲光功率的大小。為了減少六氮五鈮薄膜5與高阻硅襯底3之間的熱導(dǎo)，先在高阻硅襯底3上熱氧化生長(zhǎng)100 nm左右厚的二氧化硅絕熱支撐層4，這二氧化硅同時(shí)起支撐層的作用。為了進(jìn)一步減小六氮五鈮薄膜5與高阻硅襯底3之間的熱導(dǎo)，使用等離子刻蝕(RIE)的方法，將六氮五鈮薄膜5下面及兩側(cè)的高阻硅襯底刻蝕，刻蝕深度1-5 Mffl，由此形成含有空氣腔6的六氮五鈮薄膜微橋2。為了讀出六氮五鈮薄膜微橋2上面的變化電壓，在其兩端制作了金薄膜電極7。為了補(bǔ)償六氮五鈮薄膜的電感效應(yīng)，我們?cè)诹邂壉∧の?和金薄膜偶極子天線9之間長(zhǎng)了一層200nm的二氧化硅電容介質(zhì)層8作為耦合電容。
[0031]圖3是太赫茲測(cè)器響應(yīng)電壓與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系。為了測(cè)量器件的性能，我們采用的太赫茲源由VDI公司生產(chǎn)的AMC-336倍頻器，及安捷倫E8259D信號(hào)發(fā)生器組成，信號(hào)發(fā)生器提供低頻信號(hào)(9.26 GHz到13.88 GHz )，經(jīng)AMC-336倍頻得到太赫茲波段信號(hào)。太赫茲源的輸出功率為0.5 mW左右，與頻率有關(guān)。調(diào)制信號(hào)使用4 kHz的TTL信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。這里我們測(cè)量的頻率范圍為0.17-0.375 THz (WR4.3和WR2.8 VDI喇叭)。通過使用兩個(gè)離軸拋物面反射鏡，將輻射耦合到檢測(cè)器。我們?cè)O(shè)計(jì)的天線的中心頻率為340G，實(shí)際測(cè)得在頻率343G時(shí)的電壓響應(yīng)率達(dá)到最大為2V/W，而沒有耦合電容的太赫茲?rùn)z測(cè)器在343G頻率處基本無響應(yīng)，這正是本發(fā)明的改進(jìn)之處。
[0032]基于耦合電容的六氮五鈮薄室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的制造方法:
圖4是耦合電容的六氮五鈮薄室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器制備工藝流程:
第一步，在高阻硅(Si)襯底3上等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝制備100 nm左右厚的第一二氧化硅(SiO2)層4，該二氧化硅作為六氮五鈮薄膜微橋2的絕熱支撐層；第二步，射頻磁控濺射生長(zhǎng)120-150 nm左右的六氮五鈮薄膜(Nb5N6) 5 ；
第三步，光刻制備金薄膜電極7圖形；
第四步，直流磁控濺射生長(zhǎng)厚度300 nm左右的金薄膜，并通過剝離的方法制備金薄膜電極7，如圖5(a)所示，除金薄膜電極外的材料均為六氮五鈮；
第五步，光刻制備六氮五鈮薄膜微橋2圖形；
第六步，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕制備六氮五鈮薄膜微橋2，如圖5(b)所示，此時(shí)黑框內(nèi)的黑色處為六氮五鈮薄膜微橋，其余位置已經(jīng)被刻掉；
第七步，生長(zhǎng)一層10 nm - 200 nm厚的第二二氧化娃(SiO2)層8作為稱合電容； 第八步，光刻制備金薄膜偶極子天線9圖形； 第九步，直流磁控濺射生長(zhǎng)厚度300 nm左右的金薄膜，并通過剝離的方法制備金薄膜偶極子天線9，如圖5(c)所示；
第十步，在所述六氮五鈮薄膜微橋2左右兩側(cè)光刻，即空氣腔6所在位置，形成刻蝕窗口圖形；
第十一步，使用氫氟酸(HF)緩沖液刻蝕將上述窗口圖形暴露出來的二氧化硅去掉，使二氧化硅下面的高阻硅襯底3暴露出來；
第十二步，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將上所述暴露出來的高阻硅襯底3刻蝕，刻蝕深度I飛Mm，從而形成空氣腔6，如圖5(d)所示。
[0033]經(jīng)過以上步驟，即可制備出器件，如圖1 (a)所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電容稱合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，其特征在于，包括娃襯底，所述娃襯底上的第一二氧化娃層，所述第一二氧化娃層上的六氮五銀薄膜微橋，所述六氮五銀薄膜微橋兩端連接的金屬薄膜電極，位于所述六氮五鈮薄膜微橋上的第二二氧化硅層，以及位于所述第二二氧化硅層上的金薄膜偶極子天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，其特征在于，所述第二二氧化硅層通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，其特征在于，所述第二二氧化娃層的厚度為IOnm至200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電容耦合的室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器，其特征在于，所述金屬薄膜電極的弓I線走向與金薄膜偶極子天線的極化方向一致。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，包括如下步驟: (1)在硅襯底上生長(zhǎng)形成第一二氧化硅層； (2)在第一二氧化娃層上磁控派射生長(zhǎng)六氮五銀薄膜； (3)在六氮五鈮薄膜上光刻并用剝離的方法制備金薄膜電極； (4)光刻并刻蝕制備六氮五銀薄膜微橋； (5)在六氮五銀薄膜微橋上生長(zhǎng)第二二氧化娃層； (6)在第二二氧化硅層上光刻并用剝離的方法制備金薄膜偶極子天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，其特征在于，還包括如下步驟: (7)在所述六氮五鈮薄膜微橋兩側(cè)光刻，形成刻蝕窗口圖形； (8)使用濕法刻蝕的方法將所述刻蝕窗口圖形暴露出來的第一二氧化硅層去掉，使第一二氧化娃層下面的娃襯底暴露出來； (9)使用反應(yīng)離子刻蝕將所述暴露出來的硅襯底刻蝕，從而形成空氣腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，其特征在于，所述第二二氧化硅層的厚度為10 nm至200 nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，其特征在于，所述六氮五鈮薄膜的厚度為120 nm至150 nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，其特征在于，所述硅襯底為高阻硅襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述室溫太赫茲?rùn)z測(cè)器的方法，其特征在于，所述第一二氧化硅層的厚度為IOOnm。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK103968959SQ201410216876
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】康琳, 徐磊, 涂學(xué)湊, 吳培亨 申請(qǐng)人:南京大學(xué)