一种混合集成肖特基二极管太赫兹探测器及其制备和探测方法

本发明涉及太赫兹探测与集成器件，具体涉及一种混合集成肖特基二极管太赫兹探测器及其制备和探测方法。

背景技术：

1、太赫兹技术在通信、成像、光谱检测和传感等领域具有重要应用。随着太赫兹系统向小型化和集成化方向发展，利用低损耗介质波导实现太赫兹信号的片上传输，并在此基础上实现太赫兹功能器件的片上集成，已成为太赫兹集成技术的重要发展方向。高阻硅在太赫兹频段具有较低的介质损耗和良好的微纳加工兼容性，适用于构建硅基太赫兹介质波导及集成器件。

2、肖特基二极管具有室温工作、响应速度快和结构紧凑等特点，可用于毫米波和太赫兹信号探测。现有肖特基太赫兹探测器通常采用自由空间天线、金属波导或平面传输线等结构将太赫兹信号耦合并馈送至肖特基结区。对于硅基介质波导集成的肖特基探测器而言，需要进一步解决介质波导导模与肖特基结之间的电磁能量耦合和高频电连接问题，而附加的传输及互连结构可能引入额外的传输损耗和寄生效应。

3、此外，硅基太赫兹介质波导的模场尺度通常明显大于肖特基二极管的微米级或亚微米级结区尺度，二者之间存在较大的空间尺度和模场分布差异，使波导中传输的太赫兹导模难以直接作用于尺寸较小的肖特基结区。因此，现有波导集成探测方案仍面临介质波导导模与肖特基结之间的尺度匹配和局域耦合，以及由附加高频互连结构引入的损耗和寄生效应等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种混合集成肖特基二极管太赫兹探测器及其制备和探测方法，实现硅基介质波导中太赫兹导模与肖特基结之间的局域耦合和高频馈电，并在无外加直流偏置条件下实现太赫兹信号探测。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种混合集成肖特基二极管太赫兹探测器，包括波导芯片和肖特基二极管芯片，其中：

3、波导芯片包括硅基介质波导和设置于硅基介质波导上表面的金属天线耦合器；金属天线耦合器包括彼此间隔且相互电绝缘的第一金属耦合单元和第二金属耦合单元，二者的相向端之间形成天线间隙；

4、肖特基二极管芯片包括肖特基结以及分别与肖特基结两侧电连接的第一接触电极和第二接触电极；肖特基二极管芯片以有源面朝向金属天线耦合器的方式倒装设置于波导芯片上，第一接触电极与第一金属耦合单元电连接，第二接触电极与第二金属耦合单元电连接，肖特基结与天线间隙对应设置，使第一金属耦合单元和第二金属耦合单元在将太赫兹导模能量耦合至天线间隙的同时，分别通过第一接触电极和第二接触电极向肖特基结馈送太赫兹信号，并构成肖特基结两侧的高频馈电端。

5、金属天线耦合器用于将硅基介质波导中传输的太赫兹导模能量耦合至天线间隙，在第一金属耦合单元和第二金属耦合单元之间形成太赫兹电压，并通过第一接触电极和第二接触电极将太赫兹电压施加于肖特基结；肖特基结利用其非线性伏安特性对太赫兹电压进行整流并产生整流输出。

6、进一步的，所述波导芯片由高阻硅基片加工形成，包括硅衬底、位于硅衬底上的硅基介质波导以及设置于硅基介质波导两端的第一锥形耦合波导和第二锥形耦合波导；所述硅基介质波导为高阻硅脊波导，第一锥形耦合波导和第二锥形耦合波导用于实现太赫兹信号的输入和输出耦合。

7、进一步的，所述第一金属耦合单元和第二金属耦合单元均包括连接焊盘和具有渐缩端部的天线臂，两个渐缩端部相向设置；天线臂的总长度根据目标工作频率下硅基介质波导中工作导模等效波长的四分之一设计；第一接触电极和第二接触电极分别与对应的连接焊盘电连接。

8、进一步的，所述第一金属耦合单元和第二金属耦合单元沿硅基介质波导的传播方向相对设置，天线臂沿传播方向布置，天线间隙位于硅基介质波导的脊部上表面；硅基介质波导采用准横磁模式作为工作导模，金属天线耦合器具有极化选择性，对准横磁模式的垂直电场分量敏感，对横电模式的水平电场分量不敏感，以对准横磁模式进行有效耦合。

9、进一步的，所述肖特基结的中心与天线间隙的中心对准，且肖特基结在天线间隙宽度方向上的尺寸小于天线间隙的宽度。

10、进一步的，所述肖特基二极管芯片包括半导体材料层、肖特基阳极、欧姆接触电极、悬空馈电结构、第一接触电极和第二接触电极；所述肖特基阳极与半导体材料层形成肖特基结，并通过悬空馈电结构与第一接触电极电连接，所述欧姆接触电极与半导体材料层形成欧姆接触，并与第二接触电极电连接。

11、进一步的，肖特基二极管芯片横跨第一金属耦合单元和第二金属耦合单元设置；

12、沿两天线臂排列方向，肖特基二极管芯片的尺寸大于两个天线臂及天线间隙的总跨距，且小于金属天线耦合器沿该方向的对应尺寸；

13、沿垂直于两天线臂排列方向，肖特基二极管芯片的尺寸小于连接焊盘沿该方向的对应尺寸；

14、第一接触电极和第二接触电极分别通过导电连接材料与第一金属耦合单元和第二金属耦合单元电连接，肖特基二极管芯片固定于波导芯片上。

15、进一步的，所述半导体材料层采用能够与肖特基阳极形成肖特基势垒的半导体材料，其材料体系可根据探测器的工作频段及高频电学特性进行选择。

16、进一步的，所述金属天线耦合器的金属材料可根据太赫兹频段的导电性能及微纳加工兼容性进行选择。

17、进一步的，所述第一接触电极和第二接触电极分别通过导电连接材料与第一金属耦合单元和第二金属耦合单元电连接，所述肖特基二极管芯片固定于波导芯片上。所述导电连接材料可根据电连接和器件装配要求进行选择。

18、进一步的，在无外加直流偏置条件下，所述肖特基二极管芯片利用肖特基结的非线性伏安特性，对施加于肖特基结两侧的太赫兹电压进行整流，产生直流电信号或与待探测太赫兹信号的调制包络相对应的低频电信号。

19、一种用于上述混合集成肖特基二极管太赫兹探测器的制备方法，波导芯片和肖特基二极管芯片分别制备，并通过倒装微组装方式进行混合集成，具体包括以下步骤：

20、（a）制备波导芯片：对硅基片进行微纳加工和金属图形化，在硅基片上形成硅基介质波导以及设置于硅基介质波导表面的金属天线耦合器，所述金属天线耦合器包括彼此间隔且相互电绝缘的第一金属耦合单元和第二金属耦合单元，所述第一金属耦合单元和第二金属耦合单元的相向端之间形成天线间隙；

21、（b）制备肖特基二极管芯片：通过半导体微纳加工工艺形成肖特基结、第一接触电极和第二接触电极，使第一接触电极和第二接触电极分别与肖特基结的两侧电连接；

22、（c）微组装：将步骤（b）制备的肖特基二极管芯片以有源面朝向金属天线耦合器的方式倒装设置于步骤（a）制备的波导芯片上，使肖特基结与天线间隙对应设置，并使第一接触电极与第一金属耦合单元电连接、第二接触电极与第二金属耦合单元电连接，将肖特基二极管芯片固定于波导芯片上，完成两者的混合集成。

23、一种基于上述混合集成肖特基二极管太赫兹探测器的太赫兹信号探测方法，包括：将待探测太赫兹信号耦合至硅基介质波导，在硅基介质波导中激励准横磁导模并沿硅基介质波导传播；利用金属天线耦合器将硅基介质波导中传输的太赫兹导模能量耦合至天线间隙，在第一金属耦合单元和第二金属耦合单元之间形成太赫兹电压，并通过第一接触电极和第二接触电极将太赫兹电压施加于肖特基结；在无外加直流偏置条件下，利用肖特基结的非线性伏安特性对太赫兹电压进行整流，获取整流产生的直流电信号或与待探测太赫兹信号的调制包络相对应的低频电信号。

24、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

25、1）实现硅基介质波导导模与肖特基结区之间的跨尺度局域耦合。金属天线耦合器将硅基介质波导中传输的准横磁导模能量选择性耦合至天线间隙，使局域太赫兹电场作用于尺寸较小的肖特基结区域，实现由硅基介质波导模场尺度向肖特基结尺度的局域电磁耦合。

26、2）减少附加高频互连及其引入的寄生效应。第一金属耦合单元和第二金属耦合单元在实现太赫兹导模耦合的同时，分别与肖特基二极管芯片的两个接触电极电连接，并分别构成肖特基结两侧的高频馈电端，使太赫兹导模耦合与肖特基结高频馈电由同一金属耦合结构实现，从而有利于减少附加高频传输和过渡结构以及由此引入的互连损耗和寄生效应。

27、3）实现零偏太赫兹探测。利用肖特基结的非线性伏安特性，在无外加直流偏置条件下对太赫兹电压进行整流，无需额外施加直流偏置，有利于简化偏置电路和探测系统结构。

28、4）具有良好的工艺兼容性和集成性。波导芯片和肖特基二极管芯片分别制备后通过倒装微组装方式进行混合集成，可分别采用适用于相应材料体系的加工工艺，有利于降低不同材料体系和加工工艺之间的相互制约，并便于与其他硅基太赫兹功能器件进一步集成。