本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光探測(cè)器技術(shù)，具體地，涉及一種優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法。

背景技術(shù)：

太赫茲輻射是指頻率在0.3～10thz范圍內(nèi)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(qiáng)、安全性好、分辨率高及定向性優(yōu)的特點(diǎn)。太赫茲成像及光譜技術(shù)作為當(dāng)前主流的太赫茲技術(shù)，在人體安檢、無損探傷、物質(zhì)鑒定、大氣監(jiān)測(cè)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域均具有無可取代的應(yīng)用價(jià)值。太赫茲技術(shù)能否取得應(yīng)用的關(guān)鍵在于其核心探測(cè)器的性能是否滿足應(yīng)用要求，因此發(fā)展高性能太赫茲探測(cè)器成為推動(dòng)太赫茲技術(shù)進(jìn)步的主導(dǎo)力量。阻擋雜質(zhì)帶(bib)太赫茲探測(cè)器是光電探測(cè)器家族的一員，它憑借靈敏度高、陣列規(guī)模大、探測(cè)譜段寬的優(yōu)勢(shì)受到世界各國的廣泛青睞，在天基、高海拔陸基及機(jī)載太赫茲探測(cè)系統(tǒng)中成功取得了應(yīng)用。例如：1995年歐洲發(fā)射的iso衛(wèi)星采用了1×12元bib探測(cè)器；2003年美國發(fā)射的sirtf衛(wèi)星采用了128×128元bib探測(cè)器；2004年日本發(fā)射的astro-f衛(wèi)星采用了256×256元bib探測(cè)器。

bib探測(cè)器的功能結(jié)構(gòu)包括重?fù)诫s的吸收層與本征的阻擋層，它們夾于正負(fù)電極之間，扮演著不同的角色。吸收層的職責(zé)是將太赫茲光子轉(zhuǎn)化為光生載流子，具有增強(qiáng)響應(yīng)的作用；阻擋層的職責(zé)是抑制暗態(tài)載流子，具有降低噪聲的作用。響應(yīng)帶寬作為bib探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，定義為歸一化響應(yīng)譜曲線的半高全寬，其數(shù)值大小可由吸收層直接決定，表征了探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍。實(shí)際應(yīng)用中，探測(cè)器的最優(yōu)響應(yīng)帶寬取決于待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射譜，因此為了獲取最優(yōu)響應(yīng)帶寬，現(xiàn)有技術(shù)是將bib探測(cè)器進(jìn)行多次試片后擇優(yōu)選用，時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本均較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶(bib)太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法，從bib探測(cè)器的性能著手研究，考察吸收層厚度對(duì)響應(yīng)帶寬的影響，所得結(jié)果將會(huì)對(duì)該探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

根據(jù)本發(fā)明提供的優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法，包括如下步驟：

步驟1：構(gòu)建阻擋雜質(zhì)帶bib探測(cè)器的結(jié)構(gòu)模型；

步驟2：根據(jù)bib探測(cè)器的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建相應(yīng)的物理模型；

步驟3：生長實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品，提取bib探測(cè)器的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)，完成bib探測(cè)器數(shù)值模型的構(gòu)建；

步驟4：將太赫茲輻射從正面垂直照射到太赫茲探測(cè)器上，并根據(jù)步驟3提取到的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)選取一個(gè)能使太赫茲探測(cè)器正常工作的固定偏壓uf，由步驟3構(gòu)建的數(shù)值模型得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)太赫茲探測(cè)器的響應(yīng)譜曲線，所述響應(yīng)譜曲線即為太赫茲探測(cè)器響應(yīng)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(shù)值模型的吸收層厚度，得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器響應(yīng)譜的一系列曲線；

步驟6：將步驟5得到的當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器響應(yīng)譜的一系列曲線進(jìn)行峰值歸一化處理，得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器歸一化響應(yīng)譜的一系列曲線；

步驟7：提取當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，響應(yīng)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(yīng)帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線的函數(shù)式bw(ha)，其中，所述響應(yīng)帶寬即為太赫茲探測(cè)器歸一化響應(yīng)譜曲線的半高全寬；

步驟8：由步驟7所述的函數(shù)式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達(dá)式，并根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射譜確定擬設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)帶寬bw之值，然后根據(jù)所述函數(shù)式ha(bw)及設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品相同的材料體系和工藝條件在高導(dǎo)襯底上依次生長吸收層和阻擋層，其中吸收層厚度設(shè)計(jì)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(cè)器制作。

優(yōu)選地，所述步驟1包括：

步驟1.1：在高導(dǎo)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(dǎo)襯底上形成負(fù)電極。

優(yōu)選地，所述步驟2包括：聯(lián)立泊松方程、電子與空穴的連續(xù)性方程、電子與空穴的電流密度方程，以及將載流子復(fù)合率及光生載流子產(chǎn)生率通過產(chǎn)生復(fù)合項(xiàng)加入連續(xù)性方程中，其中所述載流子復(fù)合項(xiàng)包括srh復(fù)合、輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合，光生載流子產(chǎn)生項(xiàng)通過耦合吸收系數(shù)模型來描述載流子的產(chǎn)生率，此外還需考慮載流子的低溫凍析效應(yīng)、勢(shì)壘隧穿效應(yīng)以及速度飽和效應(yīng)，用有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解。

優(yōu)選地，所述步驟3包括：在高導(dǎo)襯底上依次生長吸收層和阻擋層作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品，提取bib探測(cè)器的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)，完成bib探測(cè)器數(shù)值模型的構(gòu)建，所述關(guān)鍵材料參數(shù)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(yōu)選地，所述步驟7包括：在步驟6中得到的當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度hb下太赫茲探測(cè)器歸一化響應(yīng)譜的一系列曲線中，提取正電極偏壓uf下響應(yīng)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(yīng)帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線，得到響應(yīng)帶寬bw關(guān)于不同吸收層厚度ha的函數(shù)式bw(ha)。

優(yōu)選地，所述步驟9，經(jīng)過標(biāo)記制作、離子注入、臺(tái)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(cè)器制作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供的優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法，首先通過數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)擬合得到探測(cè)器響應(yīng)帶寬關(guān)于不同吸收層厚度的函數(shù)式，進(jìn)而根據(jù)所述函數(shù)式及設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)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(zhì)帶探測(cè)器可使探測(cè)器響應(yīng)帶寬達(dá)到最優(yōu)，從而為設(shè)計(jì)并制作高性能阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器提供了可靠的依據(jù)。

2、本發(fā)明提供的優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法，可以針對(duì)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(zhì)帶探測(cè)器提取出相應(yīng)的最佳吸收層厚度，由此設(shè)計(jì)并制作的探測(cè)器響應(yīng)帶寬將具有最優(yōu)值，從而避免為了優(yōu)化響應(yīng)帶寬而進(jìn)行反復(fù)試片，因此更加便捷可靠，同時(shí)極大地降低了研發(fā)成本。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為當(dāng)正電極偏壓ua＝1v時(shí)不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器響應(yīng)譜的一系列曲線；

圖3為當(dāng)正電極偏壓ua＝1v時(shí)不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器歸一化響應(yīng)譜的一系列曲線；

圖4為當(dāng)正電極偏壓ua＝1v時(shí)響應(yīng)帶寬隨吸收層厚度變化的擬合曲線；

圖1中：1-鈍化層；2-負(fù)電極；3-電極層；4-正電極；5-阻擋層；6-吸收層；7-高導(dǎo)襯底。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶(bib)太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法，該方法通過數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)擬合得到探測(cè)器響應(yīng)帶寬關(guān)于不同吸收層厚度的函數(shù)式。根據(jù)得到的探測(cè)器響應(yīng)帶寬關(guān)于不同吸收層厚度的函數(shù)式及設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)帶寬確定了最佳吸收層厚度，進(jìn)而根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果設(shè)計(jì)并制作了bib太赫茲探測(cè)器。其步驟如下：

步驟s1：構(gòu)建阻擋雜質(zhì)帶(bib)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)模型；

即在高導(dǎo)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(dǎo)襯底上形成負(fù)電極；具體地，如圖1所示，在n型高導(dǎo)砷化鎵襯底上依次形成重?fù)诫s的n型吸收層、本征的阻擋層、重?fù)诫s的n型電極層和氮化硅鈍化層，然后在重?fù)诫s的n型電極層上形成正電極，以及在n型高導(dǎo)砷化鎵襯底上形成負(fù)電極。

步驟s2：根據(jù)bib探測(cè)器的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建相應(yīng)的物理模型；

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

步驟s3：生長實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品，提取bib探測(cè)器的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)，完成bib探測(cè)器數(shù)值模型的構(gòu)建；

具體地，在高導(dǎo)襯底上依次生長重?fù)诫s的吸收層和本征的阻擋層作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品，提取bib探測(cè)器的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)，完成bib探測(cè)器數(shù)值模型的構(gòu)建，所述關(guān)鍵材料參數(shù)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(jìn)一步地，即在n型高導(dǎo)砷化鎵襯底上依次生長重?fù)诫s的n型吸收層和本征的阻擋層，然后采用低溫霍爾測(cè)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(kuò)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(cè)器物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)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(cè)器上，并根據(jù)步驟s3提取到的物理模型的關(guān)鍵材料參數(shù)選取一個(gè)能使太赫茲探測(cè)器正常工作的固定偏壓uf，由步驟s3構(gòu)建的數(shù)值模型得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)太赫茲探測(cè)器的響應(yīng)譜曲線，所述響應(yīng)譜曲線即為太赫茲探測(cè)器響應(yīng)率r隨光子頻率ν變化的曲線；

具體地，選取一個(gè)能使太赫茲探測(cè)器正常工作的固定偏壓uf＝1v，由數(shù)值模擬得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf＝1v時(shí)太赫茲探測(cè)器的響應(yīng)譜曲線，如圖2中黑色倒三角符號(hào)標(biāo)識(shí)的曲線所示。

步驟s5：改變步驟s4所述的數(shù)值模型的吸收層厚度，得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器響應(yīng)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(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器響應(yīng)譜的一系列曲線進(jìn)行峰值歸一化處理，得到當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，不同吸收層厚度對(duì)應(yīng)的太赫茲探測(cè)器歸一化響應(yīng)譜的一系列曲線；具體地，如圖3所示。

步驟s7：提取當(dāng)正電極偏壓ua＝uf時(shí)，響應(yīng)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(yīng)帶寬bw隨吸收層厚度ha變化的曲線的函數(shù)式bw(ha)；

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

bw(ha)＝530.35974+3.18024ha。

步驟s8：由步驟s7所述的函數(shù)式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達(dá)式，并根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射譜確定擬設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)帶寬bw之值，然后根據(jù)所述函數(shù)式ha(bw)及設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)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(shù)式bw(ha)反推得到ha(bw)的表達(dá)式：

并根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的發(fā)射譜確定擬設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)帶寬bw＝1thz，然后根據(jù)所述函數(shù)式ha(bw)及設(shè)計(jì)的最優(yōu)響應(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品相同的材料體系和工藝條件在高導(dǎo)襯底上依次生長吸收層和阻擋層，其中吸收層厚度設(shè)計(jì)為步驟s8所得的最佳吸收層厚度ha之值，經(jīng)過標(biāo)記制作、離子注入、臺(tái)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(cè)器制作；

更進(jìn)一步地，利用本發(fā)明提供的優(yōu)化阻擋雜質(zhì)帶太赫茲探測(cè)器響應(yīng)帶寬的方法所得到的最佳吸收層厚度進(jìn)行太赫茲探測(cè)器制作，包括如下步驟：

步驟a1：采用與步驟s3中實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品相同的材料體系及工藝條件在350μm厚的n型高導(dǎo)砷化鎵襯底上依次生長148μm厚的重?fù)诫sn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(biāo)記區(qū)域窗口，采用電子束蒸發(fā)工藝沉積ni/au雙層金屬，然后經(jīng)丙酮?jiǎng)冸x后形成光刻標(biāo)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(qū)域注入硅離子，然后經(jīng)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(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝縱向刻蝕157μm以去除窗口區(qū)域的電極層、阻擋層和吸收層，形成光敏臺(tái)面；

步驟a5：利用光刻工藝獲得正、負(fù)電極區(qū)域窗口，采用電子束蒸發(fā)工藝沉積ni/ge/au三層金屬，然后經(jīng)丙酮?jiǎng)冸x及退火工藝后形成正、負(fù)歐姆接觸電極；

步驟a6：采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(fù)電極區(qū)域形成腐蝕所需窗口，然后用氫氟酸緩沖液腐蝕電極區(qū)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(fù)電極區(qū)域窗口，采用電子束蒸發(fā)工藝沉積ni/au雙層金屬，然后經(jīng)丙酮?jiǎng)冸x后完成電極加厚。至此具有最優(yōu)響應(yīng)帶寬的砷化鎵基阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器制作完畢。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。