碲基室温太赫兹探测器件制造技术

本专利公开了一种碲基室温太赫兹探测器件，器件具有金属

【技术实现步骤摘要】
碲基室温太赫兹探测器件


[0001]本专利涉及太赫兹探测领域，具体是指一种碲基室温太赫兹探测器件。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)覆盖0.1～10太赫兹的范围，是介于红外和微波之间的空隙波段[1]。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性，有很大的潜在应用价值。目前红外和微波探测技术已经发展较成熟，而太赫兹波是人类迄今为止了解较少，开发较少的一个波段，亟需发展可高温工作、灵敏度高的太赫兹探测器。
[0003]碲(Te)是一种重要的p型窄带隙半导体，带隙为0.3eV，稳定性好。曾被制备成光电导型探测器，1961年理论上计算在3.4μm处的碲探测器的NEP值可以达到3.1
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10
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W[2]。这种光电探测存在着波长(光子能量)选择性的问题，探测波段取决于带隙的大小，并且在中远红外电磁波段，由于热噪声能量的存在，热噪声激发与光学激发形成竞争机制，从而探测效率显著下降，需要低温(4.2K，77K)甚至是深低温(100
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300mK)制冷。本专利基于新提出的光诱导势阱效应新机理，设计了一种基于Te材料的金属
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半导体
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金属(MSM)结构太赫兹探测器件[3]。当用0.7meV能量(远小于Te禁带宽度0.3eV)的光子入射到设计的金属
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半导体
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金属(MSM)结构上时，将在Te材料中诱导产生势阱。金属电极中的自由电子将进入半导体材料Te中，并被诱导产生的势阱束缚，使得Te中载流子浓度发生改变，材料的电导率也相应发生改变。通过外加偏置电场读出信号，进而实现太赫兹波段的室温高灵敏度探测。
[0004]以上涉及的参考文献如下：
[0005]1.B.Ferguson and X.
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C.Zhang,Materials for terahertz science and technology,Nat.Mater.1,26
–
33(2002).
[0006]2.D.Genzow,Infrared Photovoltaic Radiation Detector with Tellurium Single Crystals,Phys.Stat.Sol.(a)1,K77(1971).
[0007]3.Zhiming Huang,Wei Zhou,Jinchao Tong,Jingguo Huang,Cheng Ouyang,Yue Qu,Jing Wu,Yanqing Gao,and Junhao Chu，Extreme Sensitivity of Room
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Temperature Photoelectric Effect for Terahertz Detection,Adv.Mater.28,112
–
117(2016).

技术实现思路

[0008]针对远红外太赫兹波段探测器探测率灵敏度低、结构复杂、需深低温制冷等问题，本专利设计了一种碲基室温太赫兹探测器件，该探测器可实现探测光子能量远小于碲的禁带宽度、探测器灵敏度高、响应速度快，稳定性好且可室温工作。
[0009]本专利一种碲基室温太赫兹探测器件的器件结构为：在高阻硅衬底1上有一层自然氧化的二氧化硅层2，碲纳米片3在自然氧化的二氧化硅层2上，左右对称的蝶形正电极层4和蝶形负电极层5位于Te纳米片上；
[0010]所述的高阻硅衬底1厚度为0.5mm，电阻率10000Ω
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cm；
[0011]所述的自然氧化的二氧化硅2厚度25nm；
[0012]所述的Te纳米片3是用化学气相沉积法制备的单晶材料，纳米片厚度为300
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500nm，宽度为5
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10μm，长度为10
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30μm；
[0013]所述的蝶形正电极层4和蝶形负电极层(5)都采用30nm厚的钛和300nm厚的金，先溅射钛再溅射金，由钛和金正负电极层覆盖在Te纳米片3形成的台阶的表面和边缘，形成金属
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半导体
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金属结构，并在接触处形成欧姆接触，其中大部分的电极层都生长在台阶两侧的表面上；蝶形正电极层4和蝶形负电极层5围绕器件两边分别呈和形状镜像对称分布；所述的蝶形正电极层4和蝶形负电极层5的上端面形成左右对称的蝶形天线，具体尺寸为：电极宽度w为500μm，两端总长度l为4000μm，电极间距a即敏感元长度为5
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10μm，与敏感元接触处的电极宽度即敏感元宽度b为5
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10μm。
[0014]探测器的俯视示意图如附图1所示，器件中心处的截面及平面示意图如图2所示，1为高阻硅，2为自然氧化的二氧化硅，3为机械剥离的碲纳米片，4为钛金正电极层，5为钛金负电极层。
[0015]本专利所设计的探测器结构通过以下具体的工艺步骤来实现：
[0016]1.衬底选择
[0017]选用高阻硅(Si)衬底，衬底表面有一层自然氧化的二氧化硅(SiO2)。
[0018]2.碲纳米片的制备和转移
[0019]采用化学气相沉积法制备了碲纳米片，通过机械剥离将碲纳米片转移到衬底表面。
[0020]3.光刻
[0021]在转移了碲纳米的硅衬底样品表面旋涂一层光刻胶，将样品放入干燥器中干燥，用蝶形掩膜板掩盖住电极后用光刻机进行曝光。
[0022]4.显影
[0023]将曝光好的样品放入配好的显影液中进行显影，显影好后取出样品放入干燥箱中进行后烘处理。
[0024]5.溅射电极
[0025]将样品放入双离子束溅射室中，依次溅射一定厚度的钛和金。
[0026]6.剥离
[0027]将样品放入装有丙酮溶液的烧杯中，在水浴中加热后，多余的金属膜会脱落。
附图说明
[0028]附图1为探测器俯视示意图。
[0029]附图2为器件中心处的截面及平面示意图。
[0030]附图中标号：1为高阻硅衬底，2为自然氧化的二氧化硅层，3为碲纳米片，4蝶形正电极层，5蝶形负电极层。
[0031]附图3为探测器在室温下斩波频率1kHz，172GHz的工作频率下响应波形图。
[0032]附图4为169
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173GHz范围内的Te太赫兹探测器的响应度和噪声等效功率。
[0033]附图5为器件被两次加热至200℃20分钟再冷却后的波形图。
具体实施方式
[0034]依照附图1所示的结构，制作了三种类型实施例探测器件。
[0035]实施例探测器1采用高阻硅衬底，衬底厚度为0.5mm，电阻率10000Ω
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cm，衬底上有一层25nm厚的二氧化硅层，将Te纳米片利用机械剥离的方法转移到二氧化硅层上，在转移了Te纳米片的样品表面，利用光刻及双离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碲基室温太赫兹探测器件，其特征在于：所述的器件采用高阻硅衬底(1)，衬底上有一层自然氧化的二氧化硅层(2)，将碲纳米片(3)转移到二氧化硅层(2)上，然后在碲纳米片上制备左右对称的蝶形正电极层(4)和蝶形负电极层(5)；所述的高阻硅衬底(1)厚度为0.5mm，电阻率10000Ω
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cm；所述的自然氧化的二氧化硅层(2)厚度25nm；所述的碲纳米片(3)是用化学气相沉积法制备的单晶材料，纳米片厚度为300
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500nm，宽度为5
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10μm，长度为10
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30微米；所述的蝶形正电极层(4)和蝶形负电极层(5)都采用30n...

【专利技术属性】
技术研发人员：高艳卿，黄志明，马万里，周炜，姚娘娟，江林，邱琴茜，李敬波，石艺，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：