一种室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器及其制备方法，其检测器以硅基SOI（Silicon On Insulator）基片作为衬底，所述衬底上反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching‑RIE）硅探测微桥，所述硅探测微桥两端连接金薄膜电极。本发明还公开了制备所述检测器的方法。本发明的检测器工作于室温，具有高灵敏度，快响应时间，制备简单，便于做成大规模阵列芯片的特点，使其在太赫兹材料检测、太赫兹成像等方面具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子材料和器件领域，尤其涉及一种室温高灵敏硅基光电导器件及其制备方法，可应用于太赫兹波段材料检测和太赫兹成像。

背景技术

利用热探测和光子探测是太赫兹检测两种主要机制。

热探测主要是利用检测材料的热敏性能，在吸收太赫兹波能量后，材料的电阻发生变化，从而实现对于太赫兹信号的检测。常见的热检测材料有铋，铌，氧化钒，非晶硅，六氮五铌等，在室温下，这些材料总体体现出太赫兹信号电压响应率不高，噪声电压较大，从而器件的太赫兹检测灵敏度不高。

光电导太赫兹检测器的探测机理，是通过半导体材料吸收被探测太赫兹波光子而改变半导体材料中载流子(电子或者空穴)浓度从而改变其电导率，实现对于太赫兹信号的检测。在室温下，光电导检测器的热噪声影响很小，因此其噪声电压相较于热探测器而言可大幅降低，因此在太赫兹信号的高灵敏度和高信噪比探测方面具有优势。

发明内容

为了在室温下实现对于太赫兹信号的高灵敏性检测，制备高灵敏太赫兹成像设备，本发明提出一种室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器及其制备方法。

实现本发明的具体技术方案是：

一种室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器，特点是：该检测器以硅基SOI基片作为检测器的衬底，所述衬底上反应离子刻蚀的硅探测微桥，所述硅微桥两端连接金薄膜电极。

所述SOI衬底中底层硅为高阻硅，其电阻率至少为4000ohm.cm，顶层硅为P型掺杂中阻硅，其电阻率1-20ohm.cm。

所述硅探测微桥的厚度为100nm至200nm。

所述金薄膜电极的引线走向与检测信号的极化方向一致。

一种上述室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器的制备方法,该方法包括如下步骤：

步骤1：通过硅基衬底的清洗工艺对SOI基片进行清洗；

步骤2：通过光刻(Photoetching-PE)工艺在衬底上复制上图形；

步骤3：通过反应离子刻蚀工艺在衬底上刻蚀硅微桥；

步骤4：通过磁控溅射(Magnetron Sputtering Film Deposition-MSFD)工艺在基片上溅射金薄膜电极；

步骤5：通过剥离(Lift-off)工艺，将电极制备在基片上。

所述步骤1具体包括：

A1：用溶液A在沸腾状态下，浸泡SOI基片10min；所述溶液A为NH₃.H₂O、H₂O₂和H₂O混合溶液，其体积比NH₃.H₂O:H₂O₂:H₂O＝1:2:5；

A2：用溶液B在沸腾状态下，浸泡SOI基片10min；所述溶液B为HCl、H₂O₂和H₂O混合溶液，其体积比HCl:H₂O₂:H₂O＝1:2:7。

室温太赫兹检测器及其制备方法，其特征在于，所述硅探测微桥的尺寸为宽度3um-5um，长度为100um-500um

所述金薄膜电极的厚度为200nm-300nm。

本发明的有益效果：

本发明提出的室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器，采用SOI基片作为衬底，具有检测频带宽、响应时间快、检测灵敏度高；其制备方法简单、工艺成熟、规模化制备方便、可小型化集成；使其在太赫兹材料检测、太赫兹实时成像等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明检测器实物图，检测器的接收面积为3um×100um；

图2为本发明检测器实物图，检测器的接收面积为5um×100um；

图3为本发明检测器制备流程图；

图4为3um×100um检测器噪声电压测试图，在1kHz调制频率以上，测试得到其噪声电压为3nV/Hz^1/2；

图5为3um×100um检测器响应时间测试图，信号调制频率1kHz，上升时间25us，下降时间8us；

图6为5um×100um检测器噪声电压测试图，在1kHz调制频率以上，测试得到其噪声电压为3nV/Hz^1/2；

图7为5um×100um检测器响应时间测试图，信号调制频率1kHz，上升时间20us，下降时间7us。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的室温高灵敏硅基光电导太赫兹检测器的制备方法，具体包括：

a.通过硅基衬底的清洗工艺对SOI基片进行清洗

ⅰ)用去离子水洗基片5分钟；

ⅱ)用丙酮清洗基片5分钟；

ⅲ)用酒精清洗基片5分钟；

ⅳ)用去离子水洗基片5分钟；

ⅴ)用1号液(体积比NH₃.H₂O:H₂O₂:H₂O＝1：2：5)浸泡表面有氧化层的SOI基片10min；

ⅵ)去离子水清洗5min；

ⅶ)用2号液(体积比HCl:H₂O₂:H₂O＝1：2：7)浸泡表面有氧化层的SOI基片10min；

ⅷ)去离子水清洗5min。

b.通过光刻工艺在衬底上复制上图形

ⅰ)将清洗后的基片置于烘台上，以110摄氏度的温度进行涂胶前烘5min；

ⅱ)在匀胶台上以4000r/min的转速涂上光刻胶AZ1500，转动时间40s；

ⅲ)在110摄氏度的烘台上进行曝光前烘烤，烘烤时间2min；

ⅳ)在光刻机上先后进行对准、曝光，曝光时间9s；

ⅴ)在正胶显影液中进行显影，显影时间30s；

ⅵ)将显影后的基片，在烘台上以110摄氏度的温度进行后烘2min。

c.通过反应离子刻蚀工艺在衬底上刻蚀微桥

将第一次曝光后的基片放于RIE刻蚀装置中，进行RIE刻蚀，刻蚀SOI基片表面的Si。

d.通过磁控溅射工艺在基片上溅射金薄膜

ⅰ)将RIE后的基片用丙酮清洗5分钟；

ⅱ)用酒精清洗基片5分钟；

ⅲ)用去离子水清洗基片5分钟；

ⅳ)将清洗后的基片置于烘台上，以145摄氏度的温度烘烤5min；

ⅴ)以4000r/min的转速涂上光刻胶LOR10B，转动时间40s；

ⅵ)以4000r/min的转速涂上光刻胶AZ1500，转动时间40s；

ⅶ)在110摄氏度的烘台上进行曝光前烘烤，烘烤时间2min；

ⅷ)在光刻机上进行对准、曝光等工序，曝光时间9s；

ⅸ)在正胶显影液中进行显影，显影时间30s；

ⅹ)将显影后的基片，在烘台上以110摄氏度的温度进行后烘2min；

xi)将显影后的基片，放置于磁控溅射装置中，溅射金薄膜电极。

e.通过剥离工艺，将电极制备在基片上

ⅰ)将溅射金薄膜电极后的基片放置于丙酮中浸泡20分钟，超声清洗剥离；

ⅱ)将基片放置于酒精中浸泡20分钟；

ⅲ)用去离子水清洗基片5分钟。

本发明所述的SOI基片的规格为：

SOI layer THK:100-200nm，Quantity：1pcs，SOI layer dopant：P type 1-20ohm.cm，SOI layer orientation:<100>,BOX layer THK:400nm，Handle layer THK:725±10um，Handle layer dopant：P type>4000ohm.cm，Handle layer orientation:<100>。

步骤a中，所述丙酮为分析纯(Analytical reagent-AR)级别；所述酒精为分析纯级别；所述NH₃.H₂O和H₂O₂均为分析纯级别，清洗基片前，需要将1号液煮沸，温度在100摄氏度；所述HCl和H₂O₂均为分析纯级别，清洗基片前，需要将2号液煮沸，温度在100摄氏度。

所述步骤b中，涂胶的第一级转速600r/min，转动时间5s，第二级转速4000r/min，转动时间40s。

所述步骤c中，RIE中所用SF₆气体的流量控制为30标准毫升每分钟(StandardCubic>

所述步骤d中，丙酮为分析纯级别；所述酒精为分析纯级别；涂LOR10B胶的第一级转速600r/min，转动时间5s，第二级转速4000r/min，转动时间40s；涂AZ1500胶的第一级转速600r/min，转动时间5s，第二级转速4000r/min，转动时间40s；磁控溅射金之前，首先用离子束清洗基片1-2min，然后溅射一层Ti，厚度约10-15nm，随后溅射一层金，厚度为250-300nm。

所述步骤e中，超声清洗功率70W，清洗时间15-20s。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

实施例1

本具体实施例为SOI基片作为检测器的衬底，其中SOI基片的规格如下，SOI layerTHK:100-200nm，Quantity：1pcs，SOI layer dopant：P type 1-20ohm.cm，SOI layerorientation:<100>,BOX layer THK:400nm，Handle layer THK:725±10um，Handle layerdopant：P type>4000ohm.cm，Handle layer orientation:<100>。

通过光刻、反应离子刻蚀、磁控溅射等工艺在SOI衬底上制备太赫兹检测器，器件的探测单元厚度为145nm，图1为探测单元面积为3um×100um实物图。在室温下，器件的偏置电流在4mA，其噪声电压谱如图4，器件的噪声电压约为2nV/Hz^1/2-3nV/Hz^1/2，器件的响应时间见测试图5，从测试的结果来看，器件的响应时间约为8×10-⁶-25×10-⁶s，测得其在340GHz的探测频率下的等效噪声功率(NEP)优于7×10-¹²W/Hz^1/2,在650GHz的探测频率下的等效噪声功率(NEP)优于4×10-¹¹W/Hz^1/2。

实施例2

本具体实施例为SOI基片作为作为检测器的衬底，其中SOI基片的规格如下，SOIlayer THK:100-200nm，Quantity：1pcs，SOI layer dopant：P type 1-20ohm.cm，SOIlayer orientation:<100>,BOX layer THK:400nm，Handle layer THK:725±10um，Handlelayer dopant：P type>4000ohm.cm，Handle layer orientation:<100>。

通过光刻、反应离子刻蚀、磁控溅射等工艺在SOI衬底上制备光电导检测器件，器件的探测单元厚度为145nm，探测单元面积为5um×100um，如图2所示。在室温下，器件的偏置电流在4mA，其噪声电压谱如图6，器件的噪声电压约为2nV/Hz^1/2-3nV/Hz^1/2，器件的响应时间见测试图7，从测试的结果来看，器件的响应时间约为7×10-⁶-20×10-⁶s，测得其在340GHz的探测频率下的等效噪声功率(NEP)优于8×10-¹²W/Hz^1/2,在650GHz的探测频率下的等效噪声功率(NEP)优于5×10-¹¹W/Hz^1/2。

本发明提出一种室温高灵敏硅基光电导太赫兹器件同几种典型太赫兹检测器件的相关参数对比如表1所示。

表1：室温硅基光电导太赫兹器件同几种典型太赫兹检测器件相关参数对比

探测器种类等效噪声功率(NEP/(W/Hz^1/2))响应时间(s)可探测频率(THz)本发明检测器10^-11-10^-1210^-6-10^-50.1-10高兰泡10^-9-10^-1010^-3-10^-20.1-10Nb₅N₆测辐射热仪10^-1010^-6-10^-50.1-10肖特基二极管10^-1010^-60.1-10场效应管10^-1010^-60.1-30辉光放电检测器10^-910^-60.1-10

如表1所示,本发明是基于成熟的硅制造和加工工艺，制备简单，技术成熟，探测频率和响应时间同其它器件相当，但是等效噪声功率要比其它室温探测器要高1到2个数量级，显示出本发明在室温太赫兹检测方面有明显的优势。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。