本發(fā)明屬于太赫茲探測器件的制備技術領域，具體涉及一種臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器及其制作方法，適用于制作高收集效率、高響應率的砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器。

背景技術：

阻擋雜質(zhì)帶(blockedimpurityband，簡稱bib)探測器是一種低溫太赫茲探測器，需要工作在4k以下的低溫環(huán)境中。在反恐安檢、醫(yī)療成像、生物醫(yī)藥、無損檢測、物質(zhì)鑒別、天文觀測、遙感預警等多個領域有著廣泛的應用前景。阻擋雜質(zhì)帶探測器可分為硅基和砷化鎵基兩類，硅基阻擋雜質(zhì)帶探測器可實現(xiàn)40微米太赫茲輻射的高靈敏檢測，后來發(fā)展起來的砷化鎵基阻擋雜質(zhì)帶探測器可將長波截止波長延伸至300微米，從而極大地擴展了阻擋雜質(zhì)帶探測器的太赫茲頻譜范圍。現(xiàn)有的砷化鎵基阻擋雜質(zhì)帶探測器多采用背電極收集模式，該模式通常是在高導襯底上依次外延生長吸收層和阻擋層，正電極設置在阻擋層的頂部，負電極設置在高導襯底的背面，見reichertzl.a.,cardozob.l.,beemanj.w.,larsend.i.,etal.,“firstresultsongaasblockedimpurityband(bib)structuresforfar-infrareddetectorarrays”,proceedingsofspie,vol.5883,pp58830q-1-58830q-8。該模式的優(yōu)點在于制備工藝簡單，缺點在于光生載流子被負電極收集之前需要經(jīng)過砷化鎵高導襯底，但目前砷化鎵襯底工藝的發(fā)展要明顯滯后于傳統(tǒng)硅工藝，具體體現(xiàn)在砷化鎵襯底的缺陷密度(～10³cm^-2量級)比硅襯底(～10²cm^-2量級)高很多，這些缺陷作為復合中心可俘獲途經(jīng)襯底的光生載流子，從而削弱了太赫茲響應電流信號。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供了一種臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器及其制作方法，將環(huán)形負電極制備在臺面下表面，即高導砷化鎵襯底的上表面，降低了光生載流子被高導砷化鎵襯底中缺陷所俘獲的幾率，增強了光生載流子的收集效率；同時，相對于背電極收集模式，采用環(huán)形負電極結(jié)構，縮短了光生載流子的傳輸路徑，從而降低光生載流子的復合幾率，進一步增強光生載流子的收集效率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器，包括高導砷化鎵襯底，所述高導砷化鎵襯底上包括環(huán)形區(qū)域和臺面結(jié)構區(qū)域，所述臺面結(jié)構區(qū)域設置在環(huán)形區(qū)域中間；所述環(huán)形區(qū)域的高導砷化鎵襯底上、環(huán)形區(qū)域與臺面結(jié)構區(qū)域連接形成的環(huán)形側(cè)面均設置氮化硅鈍化層，所述臺面結(jié)構區(qū)域的高導砷化鎵襯底上從下到上依次設置砷化鎵摻硅吸收層、高純砷化鎵阻擋層、正電極接觸層和氮化硅鈍化層；所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)設置有環(huán)形負電極，臺面結(jié)構區(qū)域的表面設置有圓形正電極。

優(yōu)選地，所述環(huán)形負電極與高導砷化鎵襯底連接，所述圓形正電極與正電極接觸層連接。

優(yōu)選地，為了保證太赫茲輻射被完全吸收，同時避免因吸收層厚度太大造成光生載流子收集效率降低，所述砷化鎵摻硅吸收層中硅離子的摻雜濃度為5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，砷化鎵摻硅吸收層的厚度為30～40μm。

優(yōu)選地，為了有效地阻擋暗電流，同時避免因阻擋層厚度太大造成光生載流子收集效率降低，所述高純砷化鎵阻擋層的厚度為6～12μm，所述氮化硅鈍化層的厚度為200nm。

本發(fā)明還提供了一種臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器的制作方法，包括以下步驟：

s1、在高導砷化鎵襯底上生長砷化鎵摻硅吸收層；

s2、在所述砷化鎵摻硅吸收層上生長高純砷化鎵阻擋層；

s3、在所述高純砷化鎵阻擋層上形成正電極接觸層；

s4、從所述正電極接觸層往所述高導砷化鎵襯底刻蝕，直至刻蝕露出高導砷化鎵襯底，刻蝕區(qū)域形成環(huán)形區(qū)域，未刻蝕區(qū)域形成臺面結(jié)構區(qū)域；

s5、在經(jīng)步驟s4所得結(jié)構的表面均沉積氮化硅鈍化層；

s6、在所述氮化硅鈍化層上刻蝕開正、負電極孔，所述正電極孔位于臺面結(jié)構區(qū)域，所述負電極孔位于環(huán)形區(qū)域；

s7、在所述正、負電極孔上蒸鍍正、負電極，然后封裝，即可。

優(yōu)選地，步驟s1中，所述砷化鎵摻硅吸收層的生長方法為金屬有機化合物化學氣相沉積法；步驟s2中，所述高純砷化鎵阻擋層的生長方法為液相外延法，不故意摻雜任何雜質(zhì)離子；步驟s5中，所述氮化硅鈍化層的生長方法為等離子體增強化學氣相沉積法；步驟s6中，所述刻蝕方法為反應離子刻蝕法，刻蝕深度為200nm。

優(yōu)選地，步驟s3中，通過光刻、離子注入及快速熱退火工藝形成正電極接觸層；所述離子注入步驟中，注入離子為硅離子，注入能量為60～80kev，注入劑量為3～8×10¹⁴cm^-2；所述快速熱退火步驟中，保護氣氛為氮氣，退火溫度為800℃，退火保持時間為10秒。

優(yōu)選地，步驟s4中，所述刻蝕方法為感應耦合等離子體刻蝕法；刻蝕溫度20℃，壓強10毫托，刻蝕氣體cl2流量為80sccm(標準毫升每分鐘)，刻蝕氣體bcl3流量為80sccm，等離子體源功率為1000w，偏壓功率為150w，從所述正電極接觸層往所述高導砷化鎵襯底刻蝕，直至刻蝕露出高導砷化鎵襯底，刻蝕深度為36～52μm。

優(yōu)選地，步驟s7中，所述蒸鍍正、負電極的方法具體為：在正、負電極孔上從下到上依次蒸鍍鎳(ni)、金鍺(auge)合金、鎳(ni)和金(au)金屬膜，蒸鍍厚度分別為20nm、50nm、20nm和150nm。

優(yōu)選地，步驟s7中還包括對蒸鍍后的正、負電極再進行蒸鍍加厚，具體方法為：從下到上依次蒸鍍鎳和金金屬膜，蒸鍍鎳的厚度為25nm、蒸鍍金的厚度為300nm；

步驟s7中，所述封裝方法具體包括以下步驟：采用砂輪劃片法將器件分割，采用低溫絕緣膠將分割后的器件與熱沉基板粘接在一起，然后采用金絲球焊法接入正、負電極引線。

本發(fā)明所述的探測器工作原理是：首先，通過正、負電極引線將正負偏壓施加到探測器的正、負電極；當太赫茲輻射照射到臺面時，將穿過高純砷化鎵阻擋層被砷化鎵摻硅吸收層吸收，產(chǎn)生光生載流子；光生載流子在外加偏壓的作用下，被正負電極收集，從而形成太赫茲信號響應電流；通過檢測響應電流以實現(xiàn)對太赫茲輻射的探測。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、將環(huán)形負電極制備在臺面下表面(環(huán)形區(qū)域)，即高導砷化鎵襯底的上表面，降低了光生載流子被高導砷化鎵襯底中缺陷所俘獲的幾率，增強了光生載流子的收集效率；

2、采用環(huán)形負電極結(jié)構，相對于背電極收集模式，縮短了光生載流子的傳輸路徑，從而降低光生載流子的復合幾率，進一步增強光生載流子的收集效率。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器的制作工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明的臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器的剖面結(jié)構示意圖；

圖3為本發(fā)明的臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器的俯視結(jié)構示意圖；

圖4為在高導砷化鎵襯底上生長出砷化鎵摻硅吸收層后的器件結(jié)構示意圖；

圖5為在砷化鎵摻硅吸收層上生長出高純砷化鎵阻擋層后的器件結(jié)構示意圖；

圖6為在高純砷化鎵阻擋層上形成正電極接觸層后的器件結(jié)構示意圖；

圖7為感應耦合等離子體刻蝕形成臺面后的器件結(jié)構示意圖；

圖8為在臺面上表面、側(cè)壁及臺面下表面沉積氮化硅鈍化層后的器件結(jié)構示意圖；

圖9為在氮化硅鈍化層上刻蝕開正、負電極孔后的器件結(jié)構示意圖；

圖10為電子束蒸發(fā)制備正、負電極后的器件結(jié)構示意圖；

圖11為本發(fā)明的臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器測試效果；

圖中：

1——高導砷化鎵襯底；

2——砷化鎵摻硅吸收層；

3——高純砷化鎵阻擋層；

4——正電極接觸層；

5——氮化硅鈍化層；

6——圓形正電極；

7——環(huán)形負電極；

8——正電極引線；

9——負電極引線；

10——熱沉基板。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例

本實施例提供的一種臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器，如圖2和圖3所示，包括設置在熱沉積板10上的高導砷化鎵襯底1，所述高導砷化鎵襯底1上包括環(huán)形區(qū)域和臺面結(jié)構區(qū)域，所述臺面結(jié)構區(qū)域設置在環(huán)形區(qū)域中間；所述環(huán)形區(qū)域的高導砷化鎵襯底1上、環(huán)形區(qū)域與臺面結(jié)構區(qū)域連接形成的環(huán)形側(cè)面均設置氮化硅鈍化層5，所述臺面結(jié)構區(qū)域的高導砷化鎵襯底1上從下到上依次設置砷化鎵摻硅吸收層2、高純砷化鎵阻擋層3、正電極接觸層4和氮化硅鈍化層5；所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)設置有環(huán)形負電極7，臺面結(jié)構區(qū)域的表面設置有圓形正電極6。

所述環(huán)形負電極7與高導砷化鎵襯底1連接，所述圓形正電極6與正電極接觸層4連接。

所述砷化鎵摻硅吸收層2中硅離子的摻雜濃度為5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，砷化鎵摻硅吸收層的厚度為30～40μm。

所述高純砷化鎵阻擋層3的厚度為6～12μm，所述氮化硅鈍化層的厚度為200nm。

其制作方法如圖1所示，包括如下步驟：

s1，高導砷化鎵襯底1清洗：首先采用丙酮和異丙醇各分別超聲5分鐘，去離子水沖洗；然后用體積配比nh4oh：h2o＝1：10的溶液浸泡5分鐘，最后用體積配比hcl：h2o＝1：10的溶液浸泡2分鐘，去離子水沖洗，氮氣吹干；

s2，氣相外延生長吸收層：在高導砷化鎵襯底1上，采用金屬有機化合物化學氣相沉積工藝外延生長砷化鎵摻硅吸收層2，生長厚度為30～40μm，摻雜硅離子，摻雜濃度為5×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3(見圖4)；

s3，液相外延生長阻擋層：在砷化鎵摻硅吸收層2上，采用液相外延工藝生長高純砷化鎵阻擋層3，不故意摻雜任何雜質(zhì)離子，生長厚度為6～12μm(見圖5)；

s4，第一次光刻：在高純砷化鎵阻擋層3表面旋涂正膠az5214，厚度1.6μm，曝光顯影，以形成光刻標記區(qū)域窗口；

s5，等離子體去膠：采用氧氣等離子體去膠工藝，去除曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s6，蒸鍍光刻標記：在高純砷化鎵阻擋層3表面，采用電子束蒸發(fā)工藝蒸鍍光刻標記，依次蒸鍍鎳、金金屬膜，厚度分別為20nm、100nm；

s7，剝離：采用丙酮進行剝離，浸泡120分鐘，異丙醇浸泡10分鐘，去離子水沖洗，氮氣吹干；

s8，第二次光刻：在高純砷化鎵阻擋層3表面旋涂正膠az4620，厚度7μm，曝光顯影，形成離子注入?yún)^(qū)域窗口；

s9，等離子體去膠：采用氧氣等離子體去膠工藝，進一步去除曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s10，堅膜：對光刻膠az4620進行堅膜，堅膜溫度110℃，堅膜時間10分鐘，以提高光刻膠az4620的粘附性和掩膜保護能力；

s11，離子注入：采用離子注入工藝，將硅離子注入高純砷化鎵阻擋層3，注入能量為60～80kev，注入劑量為3～8×10¹⁴cm^-2；

s12，有機清洗：采用丙酮和異丙醇進行有機清洗，各超聲15分鐘，去離子水沖洗，氮氣吹干，以去除離子注入后器件表面的az4620光刻膠；

s13，快速熱退火：在氮氣氣氛中，采用快速熱退火工藝(此處快速熱退火工藝是指升、降溫速率在20℃/s～250℃/s范圍的熱退火工藝)，升、降溫速率為80℃/s，退火溫度為800℃，退火溫度保持時間為10秒，激活注入離子，修復晶格損傷，形成正電極接觸層4(見圖6)；

s14，第三次光刻：在器件表面旋涂正膠az4620，厚度7μm，曝光顯影，以形成感應耦合等離子體刻蝕區(qū)域窗口；

s15，等離子體去膠：采用氧氣等離子體去膠工藝，進一步去除曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s16，堅膜：對光刻膠az4620進行堅膜，堅膜溫度110℃，堅膜時間10分鐘，以提高光刻膠az4620的粘附性和抗刻蝕能力。

s17，感應耦合等離子體刻蝕：采用感應耦合等離子體刻蝕工藝，刻蝕溫度20℃，壓強10毫托，刻蝕氣體cl2流量為80sccm(標準毫升每分鐘)，刻蝕氣體bcl3流量為80sccm，等離子體源功率為1000w，偏壓功率為150w，刻蝕深度為36～52μm，刻蝕露出高導砷化鎵襯底1，形成臺面結(jié)構(見圖7)；

s18，有機清洗：采用丙酮和異丙醇進行有機清洗，各超聲10分鐘，去離子水沖洗，氮氣吹干，以去除正電極接觸層4表面的光刻膠掩膜；

s19，沉積鈍化層：采用等離子體增強化學氣相沉積工藝，在臺面結(jié)構的上表面、側(cè)壁及下表面沉積氮化硅鈍化層5，沉積厚度為200nm(見圖8)；

s20，第四次光刻：在氮化硅鈍化層5的表面旋涂正膠az5214，厚度1.7μm，曝光顯影，以形成反應離子刻蝕所需窗口；

s21，等離子體去膠：采用氧氣等離子體去膠工藝，進一步去除曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s22，堅膜：對光刻膠az5214進行堅膜，堅膜溫度110℃，堅膜時間2分鐘，以提高光刻膠az5214的粘附性和抗刻蝕能力；

s23，反應離子刻蝕：采用反應離子刻蝕工藝，在氮化硅鈍化層5上進行刻蝕，刻蝕深度為200nm，露出正電極接觸層4及高導砷化鎵襯底1；

s24，有機清洗：采用丙酮和異丙醇進行有機清洗，各超聲10分鐘，去離子水沖洗，氮氣吹干，以去除氮化硅鈍化層5表面的光刻膠掩膜；

s25，濕法腐蝕：采用體積配比hf：nh4hf：h2o＝1：5：10的溶液浸泡5秒，去離子沖洗，氮氣吹干，以去除干凈反應離子刻蝕產(chǎn)生的殘留物，形成圓形正電極孔及環(huán)形負電極孔(見圖9)；

s26，第五次光刻：采用雙層膠光刻工藝，在器件表面依次先后旋涂光刻膠lor10a和光刻膠az5214，曝光顯影；

s27，等離子體去膠：采用氬氣等離子體去膠工藝，去除干凈曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s28，蒸鍍正、負電極：采用電子束蒸發(fā)工藝蒸鍍正、負電極，真空度5×10^-4pa，蒸發(fā)速率1nm/s，從下到上依次蒸鍍鎳、金鍺合金、鎳和金金屬膜，蒸鍍厚度分別為20nm、50nm、20nm和150nm；

s29，剝離：采用丙酮進行剝離，80℃水浴30分鐘，超聲清洗10分鐘，異丙醇超聲清洗5分鐘，濃度2.38％的四甲基氫氧化氨溶液浸泡45秒，去離子水沖洗，氮氣吹干；

s30，正、負電極退火：在氮氣氣氛中，退火溫度為450℃，退火溫度保持時間為60秒，以使電極形成良好歐姆接觸；

s31，第六次光刻：在器件表面依次先后旋涂光刻膠lor10a和光刻膠az5214，曝光顯影，以露出加厚正、負電極所需窗口區(qū)域；

s32，等離子體去膠：采用氬氣等離子體去膠工藝，去除干凈曝光顯影后殘留的光刻膠底膜；

s33，加厚正、負電極：采用電子束蒸發(fā)工藝加厚正、負電極，從下到上依次蒸鍍鎳和金金屬膜，蒸鍍鎳的厚度為25nm、蒸鍍金的厚度為300nm；

s34，剝離：采用丙酮進行剝離，80℃水浴30分鐘，超聲清洗10分鐘，異丙醇超聲清洗5分鐘，濃度2.38％的四甲基氫氧化氨溶液浸泡45秒，去離子水沖洗，氮氣吹干，完成圓形正電極6和環(huán)形負電極7的制備(見圖10)；

s35，封裝：采用砂輪劃片工藝對器件進行分割，采用低溫絕緣膠將分割后的器件與熱沉基板粘接在一起，采用金絲球焊工藝完成正電極引線8、負電極引線9的接入，器件制備完畢。

為了驗證本實施例制得的臺面式砷化鎵摻硅阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測器的探測效果，分別利用本實施例制得的探測器和背電極收集模式的探測器對相同標準黑體輻射中的太赫茲輻射進行探測，測試結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，本實施例制得的探測器具有更大的響應率，即具有更強的光生載流子收集效率，從而驗證了本發(fā)明的可行性。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。