[发明专利]一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹探测领域，具体涉及一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器。

背景技术

太赫兹波段是介于微波毫米波与红外之间的电磁波段，其频率范围和波长范围分别为0.1THz—10THz，3mm—30μm。此前，人们对太赫兹波段的研究很少，该波段也一直被称为THz Gap。近年来，由于不断发现太赫兹波在材料，通信，生物化学，安全检测，空间遥感等领域上的巨大应用潜力，使得国内外的研究者对其研究热度大大提高。在太赫兹技术上，太赫兹探测技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一。由于太赫兹波的光子能量很小以及大气对太赫兹波段的强烈吸收，使得目前太赫兹探测器的发展较为缓慢。近年来，基于不同原理，使用不同探测材料制作的太赫兹探测器有了较大的发展。

目前，太赫兹探测技术主要是有直接探测器和相干探测器两种，相干探测器如肖特基二极管混频器SBD、超导体—绝缘体—超导体隧道混频器SIS、半导体/超导体热电子bolometer混频器HEB虽然具有高的转换效率和低的噪声，但是由于需要使用本地振荡源，使得其结构较为复制，并且它们多数需要工作在深低温度。而现在一些常见的直接探测器如高莱探测器，热释电探测器虽然可以工作在室温，但是其响应时间较慢，很难应用于太赫兹实时成像。

本发明充分考虑到了实际太赫兹探测器对于响应时间，工作温度，结构难易，信噪比的要求，设计了一种基于电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，具有响应时间短，室温工作，结构简单紧凑等优点，可对太赫兹信号进行直接探测，并且通过改变探测器的结构尺寸还可以改变探测器所探测的中心波长范围。该探测器基于电场增强效应，选用组分适当的铟镓砷材料，设计合理可行的耦合天线结构，进行光刻，腐蚀，溅射等工艺制作，使用前置放大器进行放大读出，从而实现对于太赫兹信号的探测。

发明内容

针对目前太赫兹相干探测器需要本地太赫兹振荡光源，深低温工作，结构复杂，成本较高而直接探测响应时间较长，信噪比较低等缺点，本发明提出一种基于电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，通过天线耦合显著提高了探测器的探测灵敏度，该探测器便于大规模集成，使得多元探测成为可能。

本发明采用的技术方案为：

一种电场增强效应的铟镓砷太赫兹探测器，其原理示意简图如附图一所示，由磷化铟衬底1上依次生长磷化铟层2、In_xGa_1-xAs层3、右掺杂In_yGa_1-yAs层4和左掺杂In_yGa_1-yAs层5、右掺杂In_zGa_1-zAs层6和左掺杂In_zGa_1-zAs层7、正电极层8和负电极层9组成。通过光刻、腐蚀、套刻、溅射等工艺形成所需探测器尺寸结构，右电极层8和左电极层9通过点焊金属导线与前放电路连接来传递所探测信号。

磷化铟衬底层1是磷化铟InP材料，厚度为0.5—1.5mm。

磷化铟缓型层2是磷化铟材料，其作用是使后续材料生长更加匹配，减小晶格失配率，其厚度为50-150nm。

铟镓砷In_xGa_1-xAs层3是铟镓砷In_xGa_1-xAs材料，其x值为0.537，厚度为2000-3000nm，其作用是通过自由载流子来吸收太赫兹信号。

铟镓砷In_xGa_1-xAs层3通过金属有机化学气相沉积MOCVD或者是分子束外延MBE方法生长在磷化铟缓型层2上。

右掺杂铟镓砷In_yGa_1-yAs层4和左掺杂铟镓砷In_yGa_1-yAs层5厚度为50—150nm；掺杂浓度为2×10¹⁸—1×10¹⁹cm^-3，右掺杂铟镓砷In_zGa_1-zAs层6和左掺杂铟镓砷In_zGa_1-zAs层7厚度为250—350nm；掺杂浓度为1×10¹⁹—8×10¹⁹cm^-3，y和z值都为0.526，掺杂元素都为硅Si。其作用是作为窗口层分别与右电极层8和左电极层9形成欧姆接触。