技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体光探测器技术，具体地，涉及一种优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法。
背景技术
[0002] 太赫兹
辐射是指
频率在0.3～10THz范围内的
电磁波，它在电磁波谱中位于
微波与红外之间，具有穿透性强、安全性好、
分辨率高及定向性优的特点。太赫兹成像及
光谱技术作为当前主流的太赫兹技术，在人体安检、无损探伤、物质鉴定、大气监测、天文观测等领域均具有无可取代的应用价值。太赫兹技术能否取得应用的关键在于其核心探测器的性能是否满足应用要求，因此发展高性能太赫兹探测器成为推动太赫兹技术进步的主导
力量。阻挡杂质带(BIB)太赫兹探测器是光电探测器家族的一员，它凭借灵敏度高、阵列规模大、探测谱段宽的优势受到世界各国的广泛青睐，在天基、高海拔陆基及机载太赫兹探测系统中成功取得了应用。例如：1995年欧洲发射的ISO卫星采用了1×12元BIB探测器；2003年美国发射的SIRTF卫星采用了128×128元BIB探测器；2004年日本发射的ASTRO-F卫星采用了256×256元BIB探测器。
[0003] BIB探测器的功能结构包括重掺杂的吸收层与本征的阻挡层，它们夹于正负
电极之间，扮演着不同的
角色。吸收层的职责是将太赫兹
光子转化为光生载流子，具有增强响应的作用；阻挡层的职责是抑制暗态载流子，具有降低噪声的作用。响应带宽作为BIB探测器的关键性能指标，定义为归一化响应谱曲线的半高全宽，其数值大小可由吸收层直接决定，表征了探测器的频率响应范围。实际应用中，探测器的最优响应带宽取决于待测目标的发射谱，因此为了获取最优响应带宽，
现有技术是将BIB探测器进行多次试片后择优选用，时间与经济成本均较高。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种优化阻挡杂质带(BIB)太赫兹探测器响应带宽的方法，从BIB探测器的性能着手研究，考察吸收层厚度对响应带宽的影响，所得结果将会对该探测器的优化设计具有一定的指导意义。
[0005] 根据本发明提供的优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1：构建阻挡杂质带BIB探测器的结构模型；
[0007] 步骤2：根据BIB探测器的结构模型构建相应的物理模型；
[0008] 步骤3：生长实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数，完成BIB探测器数值模型的构建；
[0009] 步骤4：将太赫兹辐射从
正面垂直照射到太赫兹探测器上，并根据步骤3提取到的物理模型的关键材料参数选取一个能使太赫兹探测器正常工作的固定
偏压UF，由步骤3构建的数值模型得到当正电极偏压UA＝UF时太赫兹探测器的响应谱曲线，所述响应谱曲线即为太赫兹探测器响应率R随光子频率ν变化的曲线；
[0010] 步骤5：改变步骤4所述的数值模型的吸收层厚度，得到当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器响应谱的一系列曲线；
[0011] 步骤6：将步骤5得到的当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器响应谱的一系列曲线进行峰值归一化处理，得到当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器归一化响应谱的一系列曲线；
[0012] 步骤7：提取当正电极偏压UA＝UF时，响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，得到拟合正电极偏压UF下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线的函数式BW(hA)，其中，所述响应带宽即为太赫兹探测器归一化响应谱曲线的半高全宽；
[0013] 步骤8：由步骤7所述的函数式BW(hA)反推得到hA(BW)的表达式，并根据待测目标的发射谱确定拟设计的最优响应带宽BW之值，然后根据所述函数式hA(BW)及设计的最优响应带宽BW之值确定最佳吸收层厚度hA之值；
[0014] 步骤9：采用与步骤3中实验测量样品相同的材料体系和工艺条件在高导衬底上依次生长吸收层和阻挡层，其中吸收层厚度设计为步骤8所得的最佳吸收层厚度hA之值，然后再完成太赫兹探测器制作。
[0015] 优选地，所述步骤1包括：
[0016] 步骤1.1：在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层、电极层和
钝化层；
[0017] 步骤1.2：在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。
[0018] 优选地，所述步骤2包括：联立泊松方程、
电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的
电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入连续性方程中，其中所述载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述载流子的产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立
迭代求解。
[0019] 优选地，所述步骤3包括：在高导衬底上依次生长吸收层和阻挡层作为实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数，完成BIB探测器数值模型的构建，所述关键材料参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度、阻挡层掺杂浓度及厚度。
[0020] 优选地，所述步骤7包括：在步骤6中得到的当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度hB下太赫兹探测器归一化响应谱的一系列曲线中，提取正电极偏压UF下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，通过拟合正电极偏压UF下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，得到响应带宽BW关于不同吸收层厚度hA的函数式BW(hA)。
[0021] 优选地，所述步骤9，经过标记制作、
离子注入、
台面刻蚀、电极制作、表面钝化、
腐蚀开孔及电极加厚工艺完成太赫兹探测器制作。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0023] 1、本发明提供的优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到探测器响应带宽关于不同吸收层厚度的函数式，进而根据所述函数式及设计的最优响应带宽提取出最佳吸收层厚度，则按照该厚度制作的阻挡杂质带探测器可使探测器响应带宽达到最优，从而为设计并制作高性能阻挡杂质带太赫兹探测器提供了可靠的依据。
[0024] 2、本发明提供的优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法，可以针对不同材料体系(包括：
硅基、锗基和砷化镓基)及不同工艺条件(包括：
气相外延工艺、
液相外延工艺和分子束外延工艺)得到的阻挡杂质带探测器提取出相应的最佳吸收层厚度，由此设计并制作的探测器响应带宽将具有最优值，从而避免为了优化响应带宽而进行反复试片，因此更加便捷可靠，同时极大地降低了研发成本。
附图说明
[0025] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0026] 图1为阻挡杂质带太赫兹探测器的结构示意图；
[0027] 图2为当正电极偏压UA＝1V时不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器响应谱的一系列曲线；
[0028] 图3为当正电极偏压UA＝1V时不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器归一化响应谱的一系列曲线；
[0029] 图4为当正电极偏压UA＝1V时响应带宽随吸收层厚度变化的拟合曲线；
[0030] 图1中：1-
钝化层；2-负电极；3-电极层；4-正电极；5-阻挡层；6-吸收层；7-高导衬底。
具体实施方式
[0031] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0032] 根据本发明提供的优化阻挡杂质带(BIB)太赫兹探测器响应带宽的方法，该方法通过数值模拟及数据拟合得到探测器响应带宽关于不同吸收层厚度的函数式。根据得到的探测器响应带宽关于不同吸收层厚度的函数式及设计的最优响应带宽确定了最佳吸收层厚度，进而根据优化后的结果设计并制作了BIB太赫兹探测器。其步骤如下：
[0033] 步骤S1：构建阻挡杂质带(BIB)探测器的结构模型；
[0034] 即在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层、电极层和钝化层，然后在电极层上形成正电极，以及在高导衬底上形成负电极；具体地，如图1所示，在N型高导砷化镓衬底上依次形成重掺杂的N型吸收层、本征的阻挡层、重掺杂的N型电极层和氮化硅钝化层，然后在重掺杂的N型电极层上形成正电极，以及在N型高导砷化镓衬底上形成负电极。
[0035] 步骤S2：根据BIB探测器的结构模型构建相应的物理模型；
[0036] 具体地，联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入连续性方程，其中载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述其产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
[0037] 步骤S3：生长实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数，完成BIB探测器数值模型的构建；
[0038] 具体地，在高导衬底上依次生长重掺杂的吸收层和本征的阻挡层作为实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数，完成BIB探测器数值模型的构建，所述关键材料参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度、阻挡层掺杂浓度及厚度。
[0039] 更进一步地，即在N型高导砷化镓衬底上依次生长重掺杂的N型吸收层和本征的阻挡层，然后采用低温霍尔测试的方法得到电子迁移率μe＝6.71×105cm2/Vs，空穴迁移率μh6 2 -9 -9
＝3.86×10cm/Vs，电子寿命τe＝1×10 s，空穴寿命τh＝1×10 s，采用扩展
电阻分析的方法得到衬底掺杂浓度NS＝4×1018cm-3，衬底厚度hS＝350μm，吸收层掺杂浓度NA＝5×1015cm-3，吸收层厚度hA＝40μm，阻挡层掺杂浓度NB＝1×1013cm-3，阻挡层厚度hB＝8μm，由此完成BIB探测器物理模型的关键材料参数的提取。
[0040] 步骤S4：将太赫兹辐射从正面垂直照射到太赫兹探测器上，并根据步骤S3提取到的物理模型的关键材料参数选取一个能使太赫兹探测器正常工作的固定偏压UF，由步骤S3构建的数值模型得到当正电极偏压UA＝UF时太赫兹探测器的响应谱曲线，所述响应谱曲线即为太赫兹探测器响应率R随光子频率ν变化的曲线；
[0041] 具体地，选取一个能使太赫兹探测器正常工作的固定偏压UF＝1V，由数值模拟得到当正电极偏压UA＝UF＝1V时太赫兹探测器的响应谱曲线，如图2中黑色倒三角符号标识的曲线所示。
[0042] 步骤S5：改变步骤S4所述的数值模型的吸收层厚度，得到当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器响应谱的一系列曲线；具体地，如图2所示。
[0043] 步骤S6：将步骤S5得到的当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器响应谱的一系列曲线进行峰值归一化处理，得到当正电极偏压UA＝UF时，不同吸收层厚度对应的太赫兹探测器归一化响应谱的一系列曲线；具体地，如图3所示。
[0044] 步骤S7：提取当正电极偏压UA＝UF时，响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，得到拟合正电极偏压UF下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线的函数式BW(hA)；
[0045] 具体地，在步骤S6中得到的当正电极偏压UA＝UF＝1V时，不同吸收层厚度hB下太赫兹探测器归一化响应谱的一系列曲线中，提取1V正电极偏压下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，如图4所示，响应带宽BW与收层厚度hA具有线性关系，通过拟合1V正电极偏压下响应带宽BW随吸收层厚度hA变化的曲线，得到响应带宽BW关于不同吸收层厚度hA的函数式BW(hA)：
[0046] BW(hA)＝530.35974+3.18024hA。
[0047] 步骤S8：由步骤S7所述的函数式BW(hA)反推得到hA(BW)的表达式，并根据待测目标的发射谱确定拟设计的最优响应带宽BW之值，然后根据所述函数式hA(BW)及设计的最优响应带宽BW之值确定最佳吸收层厚度hA之值；
[0048] 具体地，由步骤S7所述的函数式BW(hA)反推得到hA(BW)的表达式：
[0049]
[0050] 并根据待测目标的发射谱确定拟设计的最优响应带宽BW＝1THz，然后根据所述函数式hA(BW)及设计的最优响应带宽BW之值(即1THz),确定最佳吸收层厚度hA＝148μm。
[0051] 步骤S9：采用与步骤S3中实验测量样品相同的材料体系和工艺条件在高导衬底上依次生长吸收层和阻挡层，其中吸收层厚度设计为步骤S8所得的最佳吸收层厚度hA之值，经过标记制作、离子注入、台面刻蚀、电极制作、表面钝化、腐蚀开孔及电极加厚工艺完成太赫兹探测器制作；
[0052] 更进一步地，利用本发明提供的优化阻挡杂质带太赫兹探测器响应带宽的方法所得到的最佳吸收层厚度进行太赫兹探测器制作，包括如下步骤：
[0053] 步骤A1：采用与步骤S3中实验测量样品相同的材料体系及工艺条件在350μm厚的N型高导砷化镓衬底上依次生长148μm厚的重掺杂N型吸收层和8μm厚的本征阻挡层，其中衬底、吸收层和阻挡层的掺杂浓度分别为4×1018cm-3、5×1015cm-3和1×1013cm-3；
[0054] 步骤A2：在阻挡层上通过
光刻工艺获得标记区域窗口，采用
电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙
酮剥离后形成光刻标记；
[0055] 步骤A3：在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入硅离子，然后经快速热
退火工艺形成电极层；
[0056] 步骤A4：在电极层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用感应耦合
等离子体刻蚀工艺纵向刻蚀157μm以去除窗口区域的电极层、阻挡层和吸收层，形成光敏台面；
[0057] 步骤A5：利用光刻工艺获得正、负电极区域窗口，采用
电子束蒸发工艺沉积Ni/Ge/Au三层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成正、负欧姆
接触电极；
[0058] 步骤A6：采用等离子体增强
化学气相沉积工艺生长500nm厚的氮化硅钝化层；
[0059] 步骤A7：利用光刻工艺在正、负电极区域形成腐蚀所需窗口，然后用
氢氟酸缓冲液腐蚀电极区域的氮化硅，完成电极开孔；
[0060] 步骤A8：利用光刻工艺再次获得正、负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。至此具有最优响应带宽的砷化镓基阻挡杂质带探测器制作完毕。
[0061] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变化或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
