基于超材料的毫米波單譜信號探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器，包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層與超材料層、歐姆電極和肖特基電極；其中超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬開環(huán)共振單元陣列，金屬開環(huán)共振單元陣列包含了一種圖形及其特征尺寸參數(shù)，該圖形對于特定電磁波具有完全吸收特性，通過改變金屬開環(huán)共振單元的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)可以調(diào)控對應(yīng)的電磁波吸收頻段，通過改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調(diào)控超材料層中金屬開環(huán)共振單元陣列的電磁波吸收強(qiáng)度。本發(fā)明超材料層中金屬開環(huán)共振單元的波長選擇性和完美吸收特性，具有高靈敏度和高速特性，通過選擇特定金屬開環(huán)共振單元結(jié)構(gòu)可以將探測器工作于毫米波的一個特定波段。
【專利說明】基于超材料的毫米波單譜信號探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信號探測【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波探測在機(jī)場安檢系統(tǒng)、通信、雷達(dá)和氣象等眾多領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用。常見的毫米波探測器包括掃描子系統(tǒng)、接收機(jī)子系統(tǒng)和定標(biāo)子系統(tǒng)，其探測裝置需配置復(fù)雜精密的飼服、驅(qū)動或掃描機(jī)構(gòu)，體積和質(zhì)量大，響應(yīng)慢。
[0003]在要求高速、高靈敏度、多譜信號探測的場合下，現(xiàn)有毫米波探測器的性能會存在許多不足，主要體現(xiàn)在:1、毫米波探測器的譜成像裝置仍需配置復(fù)雜的伺服、驅(qū)動或掃描機(jī)構(gòu)，體積和質(zhì)量大；2、毫米波探測器響應(yīng)速度較慢；3、毫米波探測器的光譜探測范圍不能輕易擴(kuò)展。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器及其制備方法，其目的在于，解決現(xiàn)有毫米波信號探測器中存在的體積大、響應(yīng)慢、光譜探測范圍不能輕易擴(kuò)展的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器，包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極和一對肖特基電極，N型砷化鎵層形成在襯底層上面，二氧化硅層設(shè)置于N型砷化鎵層上面，超材料層設(shè)置于N型砷化鎵層上面，歐姆電極設(shè)置于N型砷化鎵層上面，肖特基電極設(shè)置于二氧化硅層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設(shè)置于超材料層的左右兩端，超材料層包括一個金屬開環(huán)共振單元陣列，其每個金屬開環(huán)共振單元的開孔間距t = 2?10“111,線寬(1 = 4 ?14 μ m,周期 L = 36 ?100 μ m。
[0006]優(yōu)選地，超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，且與N型砷化鎵層形成肖特基接觸。
[0007]優(yōu)選地，襯底層為半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
[0008]優(yōu)選地，歐姆電極為鎳、鍺、和金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nm。
[0009]優(yōu)選地，肖特基電極為鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
[0010]優(yōu)選地，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為堆疊在一起的鈦和金，其厚度分別為 20 ?30nm 和 200 ?250nm。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)在襯底層上通過金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層，其厚度為Ium?2um ；
[0013](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層，其厚度為 300nm ?400nm ；
[0014](3)在二氧化硅層上通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，通過負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Ge/Au層，將Ni/Ge/Au層進(jìn)行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層的歐姆電極，對具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火后形成歐姆電極；
[0015](4)在二氧化硅層上通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層，通過負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層，將Ni/Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層的超材料層和一對肖特基電極，其中超材料層直接與N型砷化鎵層接觸，肖特基電極位于二氧化硅層上，且肖特基電極和超材料層之間的距離為Imm?1.5mm。
[0016]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0017]1、本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器體積小:由于所述超材料的制作采用微納米光刻工藝，在1_2尺寸內(nèi)可以集成數(shù)千個金屬開環(huán)共振單元，因此基于超材料的毫米波單譜信號探測器體積很小、重量很輕。
[0018]2、本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器響應(yīng)速度較快:由于超材料層的金屬開環(huán)共振單元具有完全吸收對應(yīng)波段電磁信號的能力，一旦與對應(yīng)毫米波段信號產(chǎn)生共振，其共振響應(yīng)速度屬于超高速響應(yīng)，能夠在極短時間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)信號。
[0019]3、本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器只需要交流信號發(fā)生器等少量電子資源輔助其進(jìn)行工作，從而節(jié)省了外圍電路資源。
[0020]4、本發(fā)明可以通過修改金屬開環(huán)共振單元的圖形參數(shù)，改變金屬開環(huán)共振單元的共振頻率，因此提供了一種可根據(jù)實(shí)際需要改變信號探測波長的能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器的縱向剖面示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器的俯視示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器中金屬開環(huán)共振單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]本發(fā)明的基本思路在于，本發(fā)明可根據(jù)所設(shè)計的金屬開環(huán)共振單元對應(yīng)的電磁共振頻率，通過超材料層中的金屬開環(huán)共振單元的電磁共振導(dǎo)致金屬發(fā)熱改變金屬電阻率實(shí)現(xiàn)電磁波信號的能量收集，并通過外接交流信號將電阻率的變化提取出來，從而探測特定毫米波信號。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器包括自下而上依次設(shè)置的襯底層1、N型砷化鎵層2、二氧化硅層3、超材料層4、歐姆電極5和一對肖特基電極61和62。其中，N型砷化鎵層2形成在襯底層I上面，二氧化硅層3設(shè)置于N型砷化鎵層2上面，超材料層4設(shè)置于N型砷化鎵層2上面，歐姆電極5設(shè)置于N型砷化鎵層2上面，肖特基電極61和62設(shè)置于二氧化硅層3上面，歐姆電極5和一對肖特基電極61和62分別設(shè)置于超材料層4的左右兩端。
[0027]超材料層4為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層包含一種圖形及其特征尺寸參數(shù)，其對于毫米波具有完全吸收特性。
[0028]襯底層可選用但不限于半絕緣砷化鎵，還可以是硅、三氧化二鋁等。
[0029]肖特基二極管的歐姆電極5可選用但不限于鎳、鍺、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm、200-300nm和20_30nm ；肖特基電極61和62可選用但不限于鈦、金，其厚度優(yōu)選為20_30nm和 200-250nm。
[0030]超材料層4由周期性微納金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，具有對毫米波的完全吸收性能，可以通過調(diào)整周期性微納金屬結(jié)構(gòu)的尺寸對其工作波段進(jìn)行優(yōu)化。
[0031]當(dāng)超材料層4用于電磁信號探測時，超材料層4采用的周期性微納米結(jié)構(gòu)的周期應(yīng)該遠(yuǎn)小于對應(yīng)電磁信號的波長，從而滿足亞波長器件的實(shí)際工作性能。
[0032]如圖2所示,超材料層4包括一個金屬開環(huán)共振單元陣列(Split ring resonatorarray)41，其中金屬開環(huán)共振單元陣列41的共振頻率對應(yīng)于一個毫米波長。為了清晰地展示工作于毫米波段的超材料結(jié)構(gòu)和特征尺寸參數(shù)，本實(shí)施例將超材料層4中的金屬開環(huán)共振單元陣列41進(jìn)行了放大，如圖3所示。金屬開環(huán)共振單元陣列41的制作材料為堆疊在一起的鈦和金，厚度分別為20?30nm和200?250nm，與N型砷化鎵層2形成肖特基接觸，當(dāng)工作于毫米波段時，金屬開環(huán)共振單元陣列41中每個金屬開環(huán)共振單元的開孔間距t =2?10 μ m，線寬d = 4?14 μ m，周期L = 36?100 μ m，中間連線傾角Θ = O?90度，中間連線長度P = 10?100 μ m，中間連線寬度f彡d/4 ；
[0033]上述由一種圖形組成的金屬開環(huán)共振單元陣列等效為一個LC共振電路，當(dāng)目標(biāo)電磁波信號7垂直入射到超材料層4后，這些LC共振電路將與毫米波段內(nèi)特定波長的電磁波產(chǎn)生共振，吸收入射電磁波7中相應(yīng)波長的能量，進(jìn)而使得金屬開環(huán)共振單元發(fā)熱升溫，由于金屬開環(huán)共振單元中間連接線區(qū)域又細(xì)又長，共振時的表面電流經(jīng)過該區(qū)域時由于電阻的突然變大必然導(dǎo)致溫度迅速升高，從而迅速改變金屬開環(huán)共振單元金屬的電阻率；通過施加2V交流電壓于一對肖特基電極61和62上，當(dāng)交流電壓峰峰值變化幅度超過設(shè)定閾值時，表明該金屬開環(huán)共振單元探測到了對應(yīng)波長的信號；通過施加O?5V反向直流偏壓于肖歐姆電極5上，使得超材料層4的金屬與N型砷化鎵層2接觸區(qū)域的耗盡層寬度增大，提高超材料層4對入射電磁波7的吸收效率，并進(jìn)一步增大金屬開環(huán)共振單元的電阻率，從而使得肖特基電極61和62檢測到的交流電壓峰峰值更加明顯，實(shí)現(xiàn)毫米波單譜信號的探測。
[0034]本發(fā)明基于超材料的毫米波單譜信號探測器的制備方法包括如下步驟:
[0035](I)在襯底層I上通過金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層2，其厚度為Ium?2um ；
[0036](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層3，其厚度為300nm?400nm ；
[0037](3)在二氧化硅層3上先通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，接著通過負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的鎳、鍺和金(其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)，將鎳、鍺和金進(jìn)行剝離，從而形成具有鎳、鍺和金(其厚度分別為20-30nm/200-300nm/20-30nm)的歐姆電極，對具有該鎳、鍺和金的歐姆電極退火后形成歐姆電極5 ;
[0038](4)在二氧化硅層3上先通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層3，接著通過負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層(其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層(其厚度分別為200nm/20nm)的超材料層4和肖特基電極61、62，超材料層4直接與N型砷化鎵層2接觸，肖特基電極6位于二氧化硅層3上，且肖特基電極61、62和超材料層4之間的距離為Imm?
1.Smnin
[0039]因此，本發(fā)明采用了肖特基二極管結(jié)構(gòu)，其以超材料層的金屬開環(huán)共振單元陣列作為完全吸光介質(zhì)，通過電阻率的變化導(dǎo)致交流信號峰峰值的改變獲得信號探測能力；通過上述制備方案集成于以單片砷化鎵為襯底的肖特基二極管中，實(shí)現(xiàn)毫米波單譜信號探測器。
[0040]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超材料的毫米波單譜信號探測器，包括襯底層、N型砷化鎵層、二氧化硅層、超材料層、歐姆電極和一對肖特基電極，其特征在于，N型砷化鎵層形成在襯底層上面，二氧化硅層設(shè)置于N型砷化鎵層上面，超材料層設(shè)置于N型砷化鎵層上面，歐姆電極設(shè)置于N型砷化鎵層上面，肖特基電極設(shè)置于二氧化硅層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設(shè)置于超材料層的左右兩端，超材料層包括一個金屬開環(huán)共振單元陣列，其每個金屬開環(huán)共振單元的開孔間距t = 2?1(^111,線寬(1 = 4?14 μ m,周期L = 36?100 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特征在于，超材料層為具有周期性微納米結(jié)構(gòu)的金屬層，且與N型砷化鎵層形成肖特基接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特征在于，襯底層為半絕緣砷化鎵、硅、或三氧化二鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特征在于，歐姆電極為鎳、鍺、和金，其厚度分別為 20-30nm、200-300nm 和 20_30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特征在于，肖特基電極為鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特征在于，金屬開環(huán)共振單元陣列的制作材料為堆疊在一起的鈦和金，其厚度分別為20?30nm和200?250nm。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述基于超材料的毫米波單譜信號探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在襯底層上通過金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積法注入Si離子，摻雜濃度為IX 116CnT3?9X 1018cm_3，由此形成N型砷化鎵層，其厚度為Ium?2um ； (2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法制備二氧化硅層，其厚度為300nm ?400nm ； (3)在二氧化硅層上通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，并使用濕法腐蝕對歐姆電極接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，通過負(fù)膠工藝光刻歐姆電極，采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Ge/Au層，將Ni/Ge/Au層進(jìn)行剝離，從而形成具有Ni/Ge/Au層的歐姆電極，對具有該Ni/Ge/Au層的歐姆電極退火后形成歐姆電極； (4)在二氧化硅層上通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，并使用濕法腐蝕對肖特基接觸孔進(jìn)行腐蝕處理，以腐蝕二氧化硅層，通過負(fù)膠工藝光刻肖特基電極，再采用電子束蒸發(fā)的方式依次蒸發(fā)堆疊在一起的Ni/Au層，將Ni/Au層進(jìn)行剝離，從而分別形成具有Ni/Au層的超材料層和一對肖特基電極，其中超材料層直接與N型砷化鎵層接觸，肖特基電極位于二氧化硅層上，且肖特基電極和超材料層之間的距離為Imm?1.5mm。
【文檔編號】H01L31/108GK104241414SQ201410456538
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】羅俊, 別業(yè)華, 李維軍, 張新宇, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張?zhí)煨? 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)