基于InP/InGaAs肖特基二极管的高灵敏太赫兹探测器

周静涛，金智，苏永波，史敬元，丁武昌，张大勇，杨枫，刘桐; ZHOU Jingtao; JIN Zhi; SU Yongbo; SHI Jingyuan; DING Wuchang; ZHANG Dayong; YANG Feng; LIU Tong

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基于InP/InGaAs肖特基二极管的高灵敏太赫兹探测器 PDF

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周静涛
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金智
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苏永波
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史敬元
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丁武昌
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张大勇
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杨枫
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刘桐

中国科学院微电子研究所，北京 100029

中图分类号： TN717

最近更新：2025-02-10

DOI：10.11805/TKYDA2024398

摘要

InP/InGaAs肖特基二极管(SBDs)探测器因其高电子迁移率和低势垒材料特性，具有非常高的电压响应灵敏度，广泛用于高灵敏太赫兹波探测技术中。为进一步降低器件寄生效应，提升其高频性能，本文提出一种无衬底单台面T型结新型结构的肖特基器件，器件的截止频率为9.5 THz。基于新型结构的InP/InGaAs肖特基器件技术，研制了220~330 GHz、30~500 GHz、400~600 GHz和500~750 GHz等多频段的太赫兹探测器模块。其中220~330 GHz频段太赫兹检测器模块与美国VDI公司的同频段检测器模块相比，检测灵敏度等指标相近。该器件在太赫兹安检成像应用中具有很好的应用前景。

关键词

太赫兹检测器; 肖特基二极管(SBDs); T型结; 无衬底单台面

未来通信系统向着更高传输速率、更大传输容量的方向不断发展。由于毫米波和太赫兹波频段频谱资源非常丰富，已成为下一代通信系统中最具应用前景的技术之一^[

1-2]。太赫兹系统包括太赫兹波产生、传输和探测，其中太赫兹探测是重要的一环，无论是在太赫兹通信的收发模块前端，还是太赫兹成像系统的接收端，都需要太赫兹探测器高灵敏、大带宽地工作。发展比较成功的太赫兹探测器主要有以下几类：超导-绝缘-超导器件(Superconducting Insulation Superconducting，SIS)、热电子辐射器件(Hot Electron Bolometer，HEB)、Golay-cell器件和肖特基二极管(SBDs)。SBDs是太赫兹探测中一类重要的基础器件，广泛用于太赫兹探测^{[参考文献 3-4}3-4]、混频^{[参考文献 5-6}5-6]以及倍频电路^{[参考文献 7-8}7-8]中，具有以下优点：a) 可工作在室温。与SIS和HEB器件相比，省去了复杂昂贵的低温制冷系统^{[参考文献 9-10}9-10]，在成本上具有非常大的优势。b) 响应速度快。为多数载流子器件，不存在载流子恢复时间的限制。与其他器件相比，响应速率高几个数量级。c) SBD器件基于第二代化合物半导体技术，其标准化工艺水平近年来得到迅速发展，目前电路的集成规模发展到相当的水平，可实现一定规模的阵列集成。

与GaAs和Si材料的肖特基二极管相比，InP/InGaAs肖特基二极管的势垒非常低，开启电压仅0.12 V，非常适合构建零偏置太赫兹探测电路。基于本研究团队在InP/InGaAs肖特基器件技术领域多年的研究成果，本文提出一种无衬底单台面T型结新型结构的肖特基器件。其中220~330 GHz频段太赫兹检测器模块与美国VDI公司的同频段检测器模块相比，检测灵敏度等指标相近。该器件在太赫兹安检成像中具有很好的应用前景。

1 InP/InGaAs太赫兹肖特基器件

图1为InP/InGaAs肖特基器件的外延结构示意图，主要包括3层：最上层为100 nm的Si掺杂的N型In_0.53Ga_0.47As，掺杂浓度为1×10¹⁷；中间层为1.5 μm Si重掺杂的N型In_0.53Ga_0.47As，掺杂浓度为1×10¹⁹；最下层为半绝缘InP衬底。图2为平面型InP/InGaAs肖特基二极管空气桥结构，金属Pt与N型In_0.53Ga_0.47As半导体形成肖特基结。

图1 InP/InGaAs太赫兹肖特基器件外延结构图

Fig.1 Diagram of the epitaxial structure of InP/InGaAs terahertz Schottky devices

图2 InP/InGaAs太赫兹肖特基器件空气桥结构

Fig.2 Diagram of InP/InGaAs terahertz Schottky device air bridge structure

为进一步降低器件的高频寄生效应，本文提出了一种无衬底单台面T型结新型结构的肖特基器件。图3为T型肖特基结构，肖特基直径为400 nm，顶层金属直径为1 μm。与传统的肖特基结相比，该结构实现了同等工艺难度下，通过结构创新，降低了器件的零偏结电容，从而提高了器件的截止频率。该结构采用T型栅工艺的多层光刻胶曝光技术实现。

图3 T型肖特基结

Fig.3 Diagram of T-type Schottky junction

在此基础上，利用苯并环丁烯(BCB)介质的平坦化性能以及低介电常数特性，制作了无衬底单台面T型结肖特基器件，如图4所示。其中图4(a)为该器件的结构示意图；图4(b)为该器件的显微镜照片；图4(c)为该器件的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)照片。从图中可以看到，InP衬底已被完全去掉，只保留了阴极In_0.53Ga_0.47As台面，进一步降低了高频寄生电容。

图4 无衬底单台面T型结肖特基器件

Fig.4 Diagram of substrate-free single-mesa T-junction Schottky device

该器件最突出的优点是利用了BCB材料的平坦化特点以及低介电常数的优势，用介质桥替代了空气桥结构。首先在结构强度上，大大增强了器件的可靠性；同时采用单台面介质桥结构可最大限度地降低台面引起的高频寄生电容C_pp。因此，可大幅提升无衬底单台面T型结肖特基器件的截止频率。

表1为InP/InGaAs太赫兹肖特基器件的本征参数表，其中1号器件为T型结肖特基器件，2号~5号器件为传统肖特基结器件。与传统肖特基结金属呈圆柱形不同，T型肖特基结金属由上下2个不同直径的圆柱体组成，下面的小圆柱体与半导体材料界面接触形成金-半肖特基结触；上面的大圆柱体则负责引线形成电极。当T型肖特基结的上圆柱体直径与传统肖特基直径均为1 μm时，由于T型肖特基结器件的实际金-半肖特基结触面直径仅为

表1 InP/InGaAs太赫兹肖特基器件本征参数表

Table1 The intrinsic factors of InP/InGaAs Schottky diodes

NO.	type	anode diameter/μm	series resistance/Ω	junction capacitance/fF	cut-off frequency/THz
1	T-type	0.3	96.0	0.15	9.5 4.4 3.4 2.2 1.6
2	traditional	1.0	6.2	3.60
3	traditional	2.0	3.3	14.00
4	traditional	3.0	2.5	29.40
5	traditional	4.0	2.1	47.00

0.3 μm，寄生电容和结电容大幅降低，总电容仅为0.15 fF。虽然由于尺寸缩小带来串联电阻有所增大，但器件的截止频率从4.4 THz增加到9.5 THz。

2 InP/InGaAs肖特基高灵敏太赫兹探测器

基于新型结构的InP/InGaAs肖特基器件技术，研制了220~330 GHz、325~500 GHz、400~600 GHz和500~750 GHz等^[

11-13]多频段的太赫兹探测器模块，如图5所示。太赫兹探测器模块表现出非常好的检波灵敏度和噪声等效功率性能，其中500~750 GHz太赫兹探测器的检波灵敏度达到800~2 000 V/W，噪声等效功率为14 pW/Hz^0.5。图6为主动式太赫兹成像系统，包括以下部分：太赫兹发射源、45°角分束器、硅透镜、太赫兹探测模块，其中太赫兹模块为本文研制的220~330 GHz太赫兹探测器模块。图7为该模块的太赫兹系统成像效果图，从图7可清晰地看出目标物的整体轮廓，与VDI同频段产品成像清晰度相近。

图5 多频段的太赫兹检测器模块

Fig.5 Multi-band terahertz detector modules

图6 主动式太赫兹成像系统

Fig.6 Active terahertz imaging system

图7 主动式太赫兹成像系统效果图

Fig.7 Picture of an active terahertz imaging system

3 结论

本文提出了一种无衬底单台面T型结新型结构的肖特基器件，器件的截止频率为9.5 THz。基于新型结构InP/InGaAs肖特基器件技术，研制了220~330 GHz、325~500 GHz、400~600 GHz和500~750 GHz等多频段的太赫兹检测器模块。其中220~330 GHz频段太赫兹检测器模块与美国VDI公司的同频段检测器模块相比，检测灵敏度等指标相近。该器件在太赫兹安检成像中具有很好的应用前景。

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