優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法與流程

本發明涉及半導體光探測器技術，具體地，涉及一種優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法。

背景技術：

太赫茲輻射是指頻率在0.3～10thz范圍內的電磁波，它在電磁波譜中位于微波與紅外之間，具有穿透性強、安全性好、分辨率高及定向性優的特點。太赫茲成像及光譜技術作為當前主流的太赫茲技術，在人體安檢、無損探傷、物質鑒定、大氣監測、天文觀測等領域均具有無可取代的應用價值。太赫茲技術能否取得應用的關鍵在于其核心探測器的性能是否滿足應用要求，因此發展高性能太赫茲探測器成為推動太赫茲技術進步的主導力量。阻擋雜質帶(bib)太赫茲探測器是光電探測器家族的一員，它憑借靈敏度高、陣列規模大、探測譜段寬的優勢受到世界各國的廣泛青睞，在天基、高海拔陸基及機載太赫茲探測系統中成功取得了應用。例如：1995年歐洲發射的iso衛星采用了1×12元bib探測器；2003年美國發射的sirtf衛星采用了128×128元bib探測器；2004年日本發射的astro-f衛星采用了256×256元bib探測器。

bib探測器的功能結構包括重摻雜的吸收層與本征的阻擋層，它們夾于正負電極之間，扮演著不同的角色。吸收層的職責是將太赫茲光子轉化為光生載流子，具有增強響應的作用；阻擋層的職責是抑制暗態載流子，具有降低噪聲的作用。響應帶寬作為bib探測器的關鍵性能指標，定義為歸一化響應譜曲線的半高全寬，其數值大小可由吸收層直接決定，表征了探測器的頻率響應范圍。實際應用中，探測器的最優響應帶寬取決于待測目標的發射譜，因此為了獲取最優響應帶寬，現有技術是將bib探測器進行多次試片后擇優選用，時間與經濟成本均較高。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種優化阻擋雜質帶(bib)太赫茲探測器響應帶寬的方法，從bib探測器的性能著手研究，考察吸收層厚度對響應帶寬的影響，所得結果將會對該探測器的優化設計具有一定的指導意義。

根據本發明提供的優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法，包括如下步驟：

步驟1：構建阻擋雜質帶bib探測器的結構模型；

步驟2：根據bib探測器的結構模型構建相應的物理模型；

步驟3：生長實驗測量樣品，提取bib探測器的物理模型的關鍵材料參數，完成bib探測器數值模型的構建；

步驟4：將太赫茲輻射從正面垂直照射到太赫茲探測器上，并根據步驟3提取到的物理模型的關鍵材料參數選取一個能使太赫茲探測器正常工作的固定偏壓uf，由步驟3構建的數值模型得到當正電極偏壓ua＝uf時太赫茲探測器的響應譜曲線，所述響應譜曲線即為太赫茲探測器響應率r隨光子頻率ν變化的曲線；

步驟5：改變步驟4所述的數值模型的吸收層厚度，得到當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器響應譜的一系列曲線；

步驟6：將步驟5得到的當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器響應譜的一系列曲線進行峰值歸一化處理，得到當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器歸一化響應譜的一系列曲線；

步驟7：提取當正電極偏壓ua＝uf時，響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，得到擬合正電極偏壓uf下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線的函數式bw(ha)，其中，所述響應帶寬即為太赫茲探測器歸一化響應譜曲線的半高全寬；

步驟8：由步驟7所述的函數式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達式，并根據待測目標的發射譜確定擬設計的最優響應帶寬bw之值，然后根據所述函數式ha(bw)及設計的最優響應帶寬bw之值確定最佳吸收層厚度ha之值；

步驟9：采用與步驟3中實驗測量樣品相同的材料體系和工藝條件在高導襯底上依次生長吸收層和阻擋層，其中吸收層厚度設計為步驟8所得的最佳吸收層厚度ha之值，然后再完成太赫茲探測器制作。

優選地，所述步驟1包括：

步驟1.1：在高導襯底上依次形成吸收層、阻擋層、電極層和鈍化層；

步驟1.2：在電極層上形成正電極，在高導襯底上形成負電極。

優選地，所述步驟2包括：聯立泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子與空穴的電流密度方程，以及將載流子復合率及光生載流子產生率通過產生復合項加入連續性方程中，其中所述載流子復合項包括srh復合、輻射復合和俄歇復合，光生載流子產生項通過耦合吸收系數模型來描述載流子的產生率，此外還需考慮載流子的低溫凍析效應、勢壘隧穿效應以及速度飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解。

優選地，所述步驟3包括：在高導襯底上依次生長吸收層和阻擋層作為實驗測量樣品，提取bib探測器的物理模型的關鍵材料參數，完成bib探測器數值模型的構建，所述關鍵材料參數包括：樣品的載流子遷移率及壽命、襯底摻雜濃度及厚度、吸收層摻雜濃度及厚度、阻擋層摻雜濃度及厚度。

優選地，所述步驟7包括：在步驟6中得到的當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度hb下太赫茲探測器歸一化響應譜的一系列曲線中，提取正電極偏壓uf下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，通過擬合正電極偏壓uf下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，得到響應帶寬bw關于不同吸收層厚度ha的函數式bw(ha)。

優選地，所述步驟9，經過標記制作、離子注入、臺面刻蝕、電極制作、表面鈍化、腐蝕開孔及電極加厚工藝完成太赫茲探測器制作。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明提供的優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法，首先通過數值模擬及數據擬合得到探測器響應帶寬關于不同吸收層厚度的函數式，進而根據所述函數式及設計的最優響應帶寬提取出最佳吸收層厚度，則按照該厚度制作的阻擋雜質帶探測器可使探測器響應帶寬達到最優，從而為設計并制作高性能阻擋雜質帶太赫茲探測器提供了可靠的依據。

2、本發明提供的優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法，可以針對不同材料體系(包括：硅基、鍺基和砷化鎵基)及不同工藝條件(包括：氣相外延工藝、液相外延工藝和分子束外延工藝)得到的阻擋雜質帶探測器提取出相應的最佳吸收層厚度，由此設計并制作的探測器響應帶寬將具有最優值，從而避免為了優化響應帶寬而進行反復試片，因此更加便捷可靠，同時極大地降低了研發成本。

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，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為阻擋雜質帶太赫茲探測器的結構示意圖；

圖2為當正電極偏壓ua＝1v時不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器響應譜的一系列曲線；

圖3為當正電極偏壓ua＝1v時不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器歸一化響應譜的一系列曲線；

圖4為當正電極偏壓ua＝1v時響應帶寬隨吸收層厚度變化的擬合曲線；

圖1中：1-鈍化層；2-負電極；3-電極層；4-正電極；5-阻擋層；6-吸收層；7-高導襯底。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。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。這些都屬于本發明的保護范圍。

根據本發明提供的優化阻擋雜質帶(bib)太赫茲探測器響應帶寬的方法，該方法通過數值模擬及數據擬合得到探測器響應帶寬關于不同吸收層厚度的函數式。根據得到的探測器響應帶寬關于不同吸收層厚度的函數式及設計的最優響應帶寬確定了最佳吸收層厚度，進而根據優化后的結果設計并制作了bib太赫茲探測器。其步驟如下：

步驟s1：構建阻擋雜質帶(bib)探測器的結構模型；

即在高導襯底上依次形成吸收層、阻擋層、電極層和鈍化層，然后在電極層上形成正電極，以及在高導襯底上形成負電極；具體地，如圖1所示，在n型高導砷化鎵襯底上依次形成重摻雜的n型吸收層、本征的阻擋層、重摻雜的n型電極層和氮化硅鈍化層，然后在重摻雜的n型電極層上形成正電極，以及在n型高導砷化鎵襯底上形成負電極。

步驟s2：根據bib探測器的結構模型構建相應的物理模型；

具體地，聯立泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子與空穴的電流密度方程，以及將載流子復合率及光生載流子產生率通過產生復合項加入連續性方程，其中載流子復合項包括srh復合、輻射復合和俄歇復合，光生載流子產生項通過耦合吸收系數模型來描述其產生率，此外還需考慮載流子的低溫凍析效應、勢壘隧穿效應以及速度飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解。

步驟s3：生長實驗測量樣品，提取bib探測器的物理模型的關鍵材料參數，完成bib探測器數值模型的構建；

具體地，在高導襯底上依次生長重摻雜的吸收層和本征的阻擋層作為實驗測量樣品，提取bib探測器的物理模型的關鍵材料參數，完成bib探測器數值模型的構建，所述關鍵材料參數包括：樣品的載流子遷移率及壽命、襯底摻雜濃度及厚度、吸收層摻雜濃度及厚度、阻擋層摻雜濃度及厚度。

更進一步地，即在n型高導砷化鎵襯底上依次生長重摻雜的n型吸收層和本征的阻擋層，然后采用低溫霍爾測試的方法得到電子遷移率μe＝6.71×10⁵cm²/vs，空穴遷移率μh＝3.86×10⁶cm²/vs，電子壽命τe＝1×10^-9s，空穴壽命τh＝1×10^-9s，采用擴展電阻分析的方法得到襯底摻雜濃度ns＝4×10¹⁸cm^-3，襯底厚度hs＝350μm，吸收層摻雜濃度na＝5×10¹⁵cm^-3，吸收層厚度ha＝40μm，阻擋層摻雜濃度nb＝1×10¹³cm^-3，阻擋層厚度hb＝8μm，由此完成bib探測器物理模型的關鍵材料參數的提取。

步驟s4：將太赫茲輻射從正面垂直照射到太赫茲探測器上，并根據步驟s3提取到的物理模型的關鍵材料參數選取一個能使太赫茲探測器正常工作的固定偏壓uf，由步驟s3構建的數值模型得到當正電極偏壓ua＝uf時太赫茲探測器的響應譜曲線，所述響應譜曲線即為太赫茲探測器響應率r隨光子頻率ν變化的曲線；

具體地，選取一個能使太赫茲探測器正常工作的固定偏壓uf＝1v，由數值模擬得到當正電極偏壓ua＝uf＝1v時太赫茲探測器的響應譜曲線，如圖2中黑色倒三角符號標識的曲線所示。

步驟s5：改變步驟s4所述的數值模型的吸收層厚度，得到當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器響應譜的一系列曲線；具體地，如圖2所示。

步驟s6：將步驟s5得到的當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器響應譜的一系列曲線進行峰值歸一化處理，得到當正電極偏壓ua＝uf時，不同吸收層厚度對應的太赫茲探測器歸一化響應譜的一系列曲線；具體地，如圖3所示。

步驟s7：提取當正電極偏壓ua＝uf時，響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，得到擬合正電極偏壓uf下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線的函數式bw(ha)；

具體地，在步驟s6中得到的當正電極偏壓ua＝uf＝1v時，不同吸收層厚度hb下太赫茲探測器歸一化響應譜的一系列曲線中，提取1v正電極偏壓下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，如圖4所示，響應帶寬bw與收層厚度ha具有線性關系，通過擬合1v正電極偏壓下響應帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，得到響應帶寬bw關于不同吸收層厚度ha的函數式bw(ha)：

bw(ha)＝530.35974+3.18024ha。

步驟s8：由步驟s7所述的函數式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達式，并根據待測目標的發射譜確定擬設計的最優響應帶寬bw之值，然后根據所述函數式ha(bw)及設計的最優響應帶寬bw之值確定最佳吸收層厚度ha之值；

具體地，由步驟s7所述的函數式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達式：

并根據待測目標的發射譜確定擬設計的最優響應帶寬bw＝1thz，然后根據所述函數式ha(bw)及設計的最優響應帶寬bw之值(即1thz),確定最佳吸收層厚度ha＝148μm。

步驟s9：采用與步驟s3中實驗測量樣品相同的材料體系和工藝條件在高導襯底上依次生長吸收層和阻擋層，其中吸收層厚度設計為步驟s8所得的最佳吸收層厚度ha之值，經過標記制作、離子注入、臺面刻蝕、電極制作、表面鈍化、腐蝕開孔及電極加厚工藝完成太赫茲探測器制作；

更進一步地，利用本發明提供的優化阻擋雜質帶太赫茲探測器響應帶寬的方法所得到的最佳吸收層厚度進行太赫茲探測器制作，包括如下步驟：

步驟a1：采用與步驟s3中實驗測量樣品相同的材料體系及工藝條件在350μm厚的n型高導砷化鎵襯底上依次生長148μm厚的重摻雜n型吸收層和8μm厚的本征阻擋層，其中襯底、吸收層和阻擋層的摻雜濃度分別為4×10¹⁸cm^-3、5×10¹⁵cm^-3和1×10¹³cm^-3；

步驟a2：在阻擋層上通過光刻工藝獲得標記區域窗口，采用電子束蒸發工藝沉積ni/au雙層金屬，然后經丙酮剝離后形成光刻標記；

步驟a3：在阻擋層上通過光刻工藝獲得離子注入所需窗口，在窗口區域注入硅離子，然后經快速熱退火工藝形成電極層；

步驟a4：在電極層上通過光刻工藝獲得刻蝕所需窗口，采用感應耦合等離子體刻蝕工藝縱向刻蝕157μm以去除窗口區域的電極層、阻擋層和吸收層，形成光敏臺面；

步驟a5：利用光刻工藝獲得正、負電極區域窗口，采用電子束蒸發工藝沉積ni/ge/au三層金屬，然后經丙酮剝離及退火工藝后形成正、負歐姆接觸電極；

步驟a6：采用等離子體增強化學氣相沉積工藝生長500nm厚的氮化硅鈍化層；

步驟a7：利用光刻工藝在正、負電極區域形成腐蝕所需窗口，然后用氫氟酸緩沖液腐蝕電極區域的氮化硅，完成電極開孔；

步驟a8：利用光刻工藝再次獲得正、負電極區域窗口，采用電子束蒸發工藝沉積ni/au雙層金屬，然后經丙酮剝離后完成電極加厚。至此具有最優響應帶寬的砷化鎵基阻擋雜質帶探測器制作完畢。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發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做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。