基于超材料的太赫茲單譜信號探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于超材料的太赫茲單譜信號探測器，包括自下而上依次設置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層與超材料層、歐姆電極和肖特基電極；其中超材料層為具有周期性微納米結構的金屬開環(huán)共振單元陣列，金屬開環(huán)共振單元陣列包含了一種圖形及其特征尺寸參數，該圖形對于太赫茲電磁波具有完全吸收特性，通過改變金屬開環(huán)共振單元的結構和尺寸參數可以調控對應的電磁波吸收頻段，通過改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調控超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的電磁波吸收強度。本實用新型超材料層中金屬開環(huán)共振單元的波長選擇性和完美吸收特性，具有高靈敏度和高速特性，通過選擇特定金屬開環(huán)共振單元結構可以將探測器工作于太赫茲的一個特定波段。
【專利說明】基于超材料的太赫茲單譜信號探測器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于信號探測【技術領域】，更具體地，涉及一種基于超材料的太赫茲單譜信號探測器。
【背景技術】
[0002]太赫茲探測在機場安檢系統(tǒng)、通信、電子對抗和無損檢測等眾多領域都有著廣泛地應用，常見的太赫茲探測器主要包括熱探測器、肖特基二極管探測器。
[0003]在要求高速、高靈敏度、多譜信號探測的場合下，現有太赫茲探測器存在以下方面的問題:1、太赫茲探測器的譜成像裝置仍需配置復雜的驅動或掃描機構，體積和質量大；
2、太赫茲探測器響應速度較慢；3、太赫茲探測器的光譜探測范圍不能輕易擴展。
【發(fā)明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于超材料的太赫茲單譜信號探測器，其目的在于，解決現有太赫茲信號探測器中存在的體積大、響應慢、光譜探測范圍不能輕易擴展的技術問題。
[0005]為實現上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于超材料的太赫茲單譜信號探測器，包括襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極和一對肖特基電極，N型砷化鎵層設置于襯底層上面，二氧化硅層設置于N型砷化鎵層上面，超材料層設置于N型砷化鎵層上面，歐姆電極設置于N型砷化鎵層上面，肖特基電極設置于二氧化硅層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設置于超材料層的左右兩端，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，以完全吸收太赫茲電磁波。
[0006]優(yōu)選地，襯底層為半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
[0007]優(yōu)選地，歐姆電極的材料為鎳、鍺、和金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nmo
[0008]優(yōu)選地，肖特基電極的材料為鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
[0009]優(yōu)選地，超材料層由周期性微納金屬結構構成，并與N型砷化鎵層形成肖特基接觸。
[0010]優(yōu)選地，當超材料層用于電磁信號探測時，其采用的周期性微納米結構的周期遠小于對應信號的波長。
[0011]優(yōu)選地，金屬開環(huán)共振單元的材料為鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200?250nmo
[0012]總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0013]1、本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器體積小:由于所述超材料的制作采用微納米光刻工藝，在1_2尺寸內可以集成數千個金屬開環(huán)共振單元，因此基于超材料的太赫茲單譜信號探測器體積很小、重量很輕；
[0014]2、本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器響應速度較快:由于超材料層的金屬開環(huán)共振單元具有完全吸收對應波段電磁信號的能力，一旦與對應太赫茲波段信號產生共振，其共振響應速度屬于超高速響應，能夠在極短時間內產生響應信號。
[0015]3、本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器只需要交流信號發(fā)生器等少量電子資源輔助其進行工作，從而節(jié)省了外圍電路資源。
[0016]4、本發(fā)明可以通過修改金屬開環(huán)共振單元的圖形參數，改變金屬開環(huán)共振單元的共振頻率，因此提供了一種可根據實際需要改變信號探測波長的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器的縱向剖面示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器的俯視示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器的超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0021]本發(fā)明的基本思路在于，本發(fā)明可根據所設計的金屬開環(huán)共振單元對應的電磁共振頻率，通過超材料層中的金屬開環(huán)共振單元的電磁共振導致金屬發(fā)熱改變金屬電阻率實現電磁波信號的能量收集，并通過外接交流信號將電阻率的變化提取出來，從而探測特定太赫茲信號。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器包括自下而上依次設置的襯底層1、N型砷化鎵層2、二氧化硅層3、超材料層4、歐姆電極5和一對肖特基電極61和62。其中，N型砷化鎵層2設置于襯底層I上面，二氧化硅層3設置于N型砷化鎵層2上面，超材料層4設置于N型砷化鎵層2上面，歐姆電極5設置于N型砷化鎵層2上面，肖特基電極61和62設置于二氧化硅層3上面，歐姆電極5和一對肖特基電極61和62分別設置于超材料層4的左右兩端。
[0023]超材料層4為具有周期性微納米結構的金屬層，所述周期性微納米結構的金屬層包含一種圖形及其特征尺寸參數，其對于太赫茲電磁波具有完全吸收特性。
[0024]襯底層可選用但不限于半絕緣砷化鎵，還可以是硅、三氧化二鋁等。
[0025]肖特基二極管的歐姆電極5可選用但不限于鎳、鍺、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm、200-300nm和20_30nm ；肖特基電極61和62可選用但不限于鈦、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm和 200-250nm。
[0026]超材料層4由周期性微納金屬結構構成，其與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，具有對太赫茲電磁波的完全吸收性能，可以通過調整周期性微納金屬結構的尺寸對其工作波段進行優(yōu)化。
[0027]當超材料層4用于電磁信號探測時，超材料層4采用的周期性微納米結構的周期應該遠小于對應信號的波長，從而滿足亞波長器件的實際工作性能。
[0028]如圖2所示，超材料層4包括一個金屬開環(huán)共振單元陣列41，其中金屬開環(huán)共振單元陣列41的共振頻率對應于一個特定的太赫茲波長。為了清晰地展示工作于太赫茲波段的超材料結構和特征尺寸參數，本實施例將超材料層4中的金屬開環(huán)共振單元陣列41進行了放大，如圖3所示。金屬開環(huán)共振單元陣列41的金屬開環(huán)共振單元制作材料為鈦、金，厚度分別為20?30nm和200?250nm，與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，當工作于太赫茲波段時，開孔間距七=2?8“111,線寬(1 = 4?14 4 m,外圍寬度L = 36?100 μ m,中間連線傾角Θ = O?90度，中間連線長度P = 10?100 μ m，中間連線寬度d/4;
[0029]上述由一種圖形組成的金屬開環(huán)共振單元陣列等效為一個LC共振電路，當目標電磁波信號7垂直入射到超材料層4后，這些LC共振電路將與太赫茲波段內特定波長的電磁波產生共振，吸收入射電磁波7中相應波長的能量，進而使得金屬開環(huán)共振單元發(fā)熱升溫，由于金屬開環(huán)共振單元中間連接線區(qū)域又細又長，共振時的表面電流經過該區(qū)域時由于電阻的突然變大必然導致溫度迅速升高，從而迅速改變金屬開環(huán)共振單元金屬的電阻率；通過施加2V交流電壓于一對肖特基電極61和62上，當交流電壓峰峰值變化幅度超過設定閾值時，表明該金屬開環(huán)共振單元探測到了對應波長的信號；通過施加O?5V反向直流偏壓于肖歐姆電極5上，使得超材料層4的金屬與N型砷化鎵層2接觸區(qū)域的耗盡層寬度增大，提高超材料層4對入射電磁波7的吸收效率，并進一步增大金屬開環(huán)共振單元的電阻率，從而使得肖特基電極61和62檢測到的交流電壓峰峰值更加明顯，實現太赫茲單譜信號的探測。
[0030]本發(fā)明基于超材料的太赫茲單譜信號探測器的制備方法包括如下步驟:
[0031](I)在襯底層I上通過金屬有機化合物化學氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層2，其厚度為Ium?2um ；
[0032](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強化學氣相淀積法制備二氧化硅層3，其厚度為300nm?400nm ；
[0033](3)在二氧化硅層3上通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進行腐蝕處理，通過負膠工藝光刻歐姆電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Ge/Au層(其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)，將Ni/Ge/Au層進行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層(其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)的歐姆電極，對具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火后，形成歐姆電極5 ；
[0034](4)在二氧化硅層3上先通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層3，通過負膠工藝光刻肖特基電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層(其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/Au層進行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層(其厚度分別為200nm/20nm)的超材料層4和肖特基電極6，超材料層4直接與N型砷化鎵層2接觸，肖特基電極61和62位于二氧化娃層3上,且肖特基電極6和超材料層4之間的距離為Imm?1.5mm。
[0035]因此，本發(fā)明采用了肖特基二極管結構，其以超材料層的金屬開環(huán)共振單元陣列作為完全吸光介質，通過電阻率的變化導致交流信號峰峰值的改變獲得信號探測能力；通過上述制備方案集成于以單片砷化鎵為襯底的肖特基二極管中，實現太赫茲單譜信號探測器。
[0036]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于超材料的太赫茲單譜信號探測器，包括襯底層、~型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極和一對肖特基電極，其特征在于，~型砷化鎵層設置于襯底層上面，二氧化硅層設置于~型砷化鎵層上面，超材料層設置于~型砷化鎵層上面，歐姆電極設置于~型砷化鎵層上面，肖特基電極設置于二氧化硅層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設置于超材料層的左右兩端，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，以完全吸收太赫茲電磁波。
2.根據權利要求1所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，襯底層為半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
3.根據權利要求1所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，歐姆電極的材料為鎳、鍺、和金，其厚度分別為 20-3011111、200-30011111 和 20-3011111。
4.根據權利要求1所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，肖特基電極的材料為鈦和金，其厚度分別為20-3011111和200-25011111。
5.根據權利要求1所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，超材料層由周期性微納金屬結構構成，并與~型砷化鎵層形成肖特基接觸。
6.根據權利要求1所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，當超材料層用于電磁信號探測時，其采用的周期性微納米結構的周期遠小于對應信號的波長。
7.根據權利要求6所述的太赫茲單譜信號探測器，其特征在于，金屬開環(huán)共振單元的材料為鈦和金，其厚度分別為20?3011111和200?25011111。
【文檔編號】H01L31/18GK204130568SQ201420516379
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權日:2014年9月9日
【發(fā)明者】羅俊, 別業(yè)華, 李維軍, 張新宇, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張?zhí)煨? 謝長生 申請人:華中科技大學