无帽层InPHEMT欧姆接触结构、太赫兹探测器及其制作方法

无帽层inp hemt欧姆接触结构、太赫兹探测器及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及一种太赫兹探测器，特别涉及一种无帽层inp hemt欧姆接触结构、太赫兹探测器及其制作方法，属于微纳制造技术领域。


背景技术：

2.太赫兹波因为具有微波、红外以及x射线等已经被广泛应用的其它波段电磁波所不具备的特性而引起了人们广泛的关注。由于受到固态太赫兹光源技术水平的限制，太赫兹探测器的发展已成为推进太赫兹技术应用的关键。但目前探测器的灵敏度不够高，并且对探测环境的要求也很严格，这使得太赫兹技术的应用受到了很大的阻碍。
3.在常规inp hemt的外延结构中，通常会在外延层表面生长不同程度掺杂的in
0.53
ga
0.47
as帽层，以利用隧穿效应降低欧姆接触电阻。但为了保证器件的栅控特性，通常需要对栅金属下方的帽层材料进行腐蚀，这无疑增加了工艺难度和器件的不稳定性。图1a示出了具有ingaas帽层的常规结构图，该结构通过两步刻蚀法以实现栅极凹进工艺，帽层的刻蚀会在半导体表面引入外来原子和腐蚀碎屑，产生的大量表面态会影响栅金属的有效功函数并造成栅极漏电，进而降低探测器的灵敏度。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种无帽层inp hemt欧姆接触结构、太赫兹探测器及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。
5.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
6.本发明实施例一方面提供了一种形成无帽层inp hemt欧姆接触结构的方法，包括：
7.在包含ingaas层的半导体外延结构上制作形成包含金属ni、ge、au的金属层，并于氮气气氛条件下依次进行第一阶段退火处理、第二阶段退火处理，以使ingaas层中的部分ingaas分解，且使金属层中的部分ge元素扩散至ingaas层内并占据ingaas分解后形成的ga空位，从而使所述金属层与所述半导体外延结构形成欧姆接触，其中，第一阶段退火的处理的温度为200℃，时间为20s，第二阶段退火的处理的温度提升至340-380℃，时间为50-100s。
8.本发明实施例一方面提供了由所述的方法制作获得的无帽层inp hemt欧姆接触结构。
9.本发明实施例一方面提供了一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括制作无帽层inp hemt单元的步骤以及制作能够耦合太赫兹波的天线的步骤，所述天线与所述无帽层inp hemt单元的源极、栅极电连接；
10.其中，制作无帽层inp hemt单元的步骤包括：
11.提供包含ingaas层的异质结，所述异质结内形成有二维电子气，
12.采用所述的方法在所述异质结的源区、漏区制作源极、漏极，且使所述源极、漏极
与所述异质结形成欧姆接触，所述源极与漏极通过所述二维电子气电连接；以及，在所述异质结上制作栅极。
13.本发明实施例另一方面还提供了由所述的制作方法制作的基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器。
14.与现有技术相比，本发明的优点包括：
15.1)本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，在inp hemt中，无帽层结构降低了材料外延生长成本，并简化了制备工艺；同时，避免了在刻蚀帽层时引入大量表面态，在抑制栅极漏电的同时提升了器件的栅控特性，进而保证了探测器的灵敏度；
16.2)本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，复合沟道结构的使用可改善载流子输运特性，高的载流子迁移率可使天线感应出更高的光电流信号以提升探测器的灵敏度。
附图说明
17.图1a是现有技术中的一种inp基hemt结构的横截面结构示意图；
18.图1b是本发明一典型实施案例中提供的一种inp基hemt结构的横截面结构示意图；
19.图2a和图2b是一种太赫兹波探测器的自混频检测原理图。
具体实施方式
20.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
21.本发明实施例提供了一种在室温下工作的高速高灵敏inp基太赫兹探测器，具有易于制备、能够大规模集成的特点，本发明实施例提供的探测器是通过无帽层inp hemt与非对称三瓣天线集合而成，并使用硅透镜耦合，芯片基于自混频检测理论对太赫兹波进行探测。
22.本发明实施例一方面提供了一种形成无帽层inp hemt欧姆接触结构的方法，包括：
23.在包含ingaas层的半导体外延结构上制作形成包含金属ni、ge、au的金属层，并于氮气气氛条件下依次进行第一阶段退火处理、第二阶段退火处理，以使ingaas层中的部分ingaas分解，且使金属层中的部分ge元素扩散至ingaas层内并占据ingaas分解后形成的ga空位，从而使所述金属层与所述半导体外延结构形成欧姆接触，其中，第一阶段退火的处理的温度为200℃，时间为20s，第二阶段退火的处理的温度提高至340-380℃，时间为50-100s。
24.在一些较为具体的实施方式中，所述金属层包括依次层叠设置的ni层、ge层和au层，所述ni层的厚度为5nm，所述ge层的厚度为75nm，所述au层的厚度为150nm。
25.在一些较为具体的实施方式中，所述半导体外延结构还包括inalas势垒层层，所述inalas层叠层设置在所述ingaas层上，所述金属层设置在所述inalas层上，所述inalas层与ingaas层之间形成有二维电子气，或者，所述ingaas层内部形成有inas插入层，所述
inas层内部形成有二维电子气，所述金属层与所述二维电子气电连接。
26.在一些较为具体的实施方式中，所述半导体外延结构还包括inp保护层，所述inp保护层叠层设置在所述inalas势垒层上，所述金属层设置在所述inp保护层上。
27.在一些较为具体的实施方式中，所述inp保护层的厚度为6nm。
28.本发明实施例一方面提供了由所述的方法制作获得的无帽层inp hemt欧姆接触结构。
29.本发明实施例一方面提供了一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括制作无帽层inp hemt单元的步骤以及制作能够耦合太赫兹波的天线的步骤，所述天线与所述无帽层inp hemt单元的源极、栅极电连接；
30.其中，制作无帽层inp hemt单元的步骤包括：
31.提供包含ingaas层的异质结，所述异质结内形成有二维电子气，
32.采用所述的方法在所述异质结的源区、漏区制作源极、漏极，且使所述源极、漏极与所述异质结形成欧姆接触，所述源极与漏极通过所述二维电子气电连接；以及，在所述异质结上制作栅极。
33.在一些较为具体的实施方式中，所述源极和漏极均包括依次层叠设置的ni层、ge层和au层，所述ni层的厚度为5nm，所述ge层的厚度为75nm，所述au层的厚度为150nm。
34.在一些较为具体的实施方式中，所述异质结包括层叠设置的ingaas沟道层和inalas势垒层，所述ingaas沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气，或者，所述异质结包括层叠设置的第一ingaas沟道层、inas插入层、第二ingaas沟道层和inalas势垒层，所述inas插入层内部形成有二维电子气。
35.在一些较为具体的实施方式中，所述inalas势垒层的厚度为11nm，第一ingaas沟道层的厚度为2nm，所述inas插入层的厚度为5nm，所述第二ingaas沟道层的厚度为3nm。
36.在一些较为具体的实施方式中，所述的制作方法还包括：在所述异质结上制作形成inp保护层，之后在所述inp保护层上制作形成所述的源极、漏极和栅极，所述inp保护层叠层设置在所述inalas势垒层上。
37.在一些较为具体的实施方式中，所述inp保护层的厚度为6nm。
38.在一些较为具体的实施方式中，所述异质结形成在inalas缓冲层上，所述inalas缓冲层形成在inp衬底上。
39.本发明实施例另一方面还提供了由所述的制作方法制作的基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器。
40.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的半导体外延工艺、金属制作工艺及其相关的设备等均可以采用本领域技术人员已知的工艺和设备，在此不做具体的限定和说明。
41.本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的探测原理是基于自混频检测理论，如图2a、图2b所示，探测原理可简单描述为：当太赫兹波照射到三瓣非对称天线上，器件在沟道中感应出与沟道方向平行的横向电场e
x
和与沟道方向垂直的纵向电场ez。e
x
、ez分别调控电子的漂移速度和浓度，沟道中产生的混频电流可形成太赫兹响应，当源漏两端的偏置电压为零时，栅极到沟道的电势差处处相等，且沟道中电子浓度分布均
匀，则光电流可表示为：
[0042][0043]
其中w，l和分别表示器件的栅宽，栅长和栅极到沟道的距离，μ、z0分别表示载流子迁移率和自由空间阻抗。dn/dv
geff
为电子浓度随有效栅压的微分，g0为零偏压时的沟道电导，电导随栅压的一阶微分dg0/dv
geff
称为场效应因子。
[0044]
探测器的电流响应度可由光电流与太赫兹光源功率p0表示为：
[0045][0046]
噪声等效功率nep与实测噪声nm的关系为：
[0047][0048]
栅压调控电子气浓度的过程，可以近似看作电容充放电过程，这时的电容主要为栅极电容cg，可表示为：
[0049][0050]
其中ε0、εs分别表示真空介电常数和半导体的相对介电常数。在特定源漏电压v
ds
下，跨导gm可表示为：
[0051][0052]
由上式可以看出，跨导正比于dn/dvg。
[0053]
经本案发明人研究发现：探测器响应度可通过提升沟道载流子迁移率和优化栅控特性来增强。
[0054]
图2a、图2b示出了一种无帽层inp hemt外延结构，该结构是以掺铁的半绝缘inp做衬底，经由mbe生长得到。与常规inp hemt外延结构相比，该结构还使用了in
0.53
ga
0.47
as/inas/in
0.53
ga
0.47
as的复合沟道结构，可以通过优化inas层厚度和插入位置，使二维电子气在薄的inas层中形成；其中，插入的inas层是为了得到较小的电子有效质量和较大的导带不连续性，以进一步提升势阱对二维电子气的限制作用，进而提高电子迁移率和二维电子气浓度。霍尔测试显示，该外延结构的载流子浓度和迁移率分别达到了2.97
×
10
12
cm-2
和14223cm2/vs，具有良好的载流子输运特性。得益于无帽层结构的使用，栅极到沟道的距离只有17nm，在显著降低工艺难度的同时保证了栅控特性。经电学测试，2μm栅长的inp基探测器的场效应因子达到了3.5ms/v，相比栅长为300nm的gan探测器
[2]
高出了5倍。
[0055]
金属与化合物半导体之间形成良好的欧姆接触，可以提高器件的跨导、频率特性，降低器件的噪声系数等。本案发明人在研究中还发现，对于无帽层inp基hemt器件来说，若想在去除重掺杂帽层后仍可以获得很低的接触电阻，则合金化欧姆接触工艺十分重要；本
发明实施例中提供的源极、漏极使用ni/ge/au合金体系，其中ni起湿润作用，可以防止退火过程中ge/au“缩球”现象的发生，并促进ge金属扩散到ingaas沟道层并占据ga空位，ge金属的扩散可在源、漏电极下方形成类似于直接掺杂的效果，可利用隧穿效应形成欧姆接触，au的作用是促进ingaas的分解以及ga的外扩散，并且还可以改善合金后的薄层电导率。通过采用欧姆接触金属ni(5nm)/ge(75nm)/au(150nm)，在n2气氛下、首先保持200℃条件下退火20s，然后将温度升高到340-380℃，退火50-100s，使无帽层inp hemt的比接触电阻率达到8.14
×
10-5
ω
·
cm2。由此可见，在无帽层inp hemt器件中，欧姆接触的成功制备，对于整体工艺难度的降低是显而易见的，而且还避免了大的栅极漏电，使之具备制作高灵敏度太赫兹探测器的条件。
[0056]
实施例1
[0057]
一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括：
[0058]
在inp衬底上制作依次层叠设置的ingaas/inas/ingaas＝2nm/5nm/3nm复合沟道层和11nm的inalas势垒层，所述复合沟道层和inalas势垒层形成异质结，所述复合沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气；
[0059]
通过icp干法刻蚀inalas势垒层形成台面隔离，采用电子束蒸发等方式制作ni/ge/au欧姆接触金属，并于n2气氛、200℃条件下退火20秒，将温度升高到340℃条件下退火80秒，无帽层inp hemt的比接触电阻率达到1.80
×
10-2
ω
·
cm2；
[0060]
采用电子束蒸发方式制作pt(7nm)/ti(30nm)/pt(20nm)/au(180nm)栅极金属与天线；采用电子束蒸发方式制作ni(30nm)/au(300nm)加厚引线电极；并减薄裂片；最后通过金线的超声焊接与pcb测试电路板连通，进行引线封装，探测器制作完毕。
[0061]
实施例2
[0062]
一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括：
[0063]
在inp衬底上制作依次层叠设置的ingaas/inas/ingaas＝2nm/5nm/3nm复合沟道层和11nm的inalas势垒层，所述复合沟道层和inalas势垒层形成异质结，所述复合沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气；
[0064]
通过icp干法刻蚀inalas势垒层形成台面隔离，采用电子束蒸发等方式制作ni/ge/au欧姆接触金属，并于n2气氛、200℃条件下退火20秒，将温度升高到380℃条件下退火80秒，无帽层inp hemt的比接触电阻率达到2.94
×
10-3
ω
·
cm2；
[0065]
采用电子束蒸发方式制作pt(7nm)/ti(30nm)/pt(20nm)/au(180nm)栅极金属与天线；采用电子束蒸发方式制作ni(30nm)/au(300nm)加厚引线电极；并减薄裂片；最后通过金线的超声焊接与pcb测试电路板连通，进行引线封装，探测器制作完毕。
[0066]
实施例3
[0067]
一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括：
[0068]
在inp衬底上制作依次层叠设置的ingaas/inas/ingaas＝2nm/5nm/3nm复合沟道层和11nm的inalas势垒层，所述复合沟道层和inalas势垒层形成异质结，所述复合沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气；
[0069]
通过icp干法刻蚀inalas势垒层形成台面隔离，采用电子束蒸发等方式制作ni/ge/au欧姆接触金属，并于n2气氛、200℃条件下退火20秒，将温度升高到370℃条件下退火50秒，无帽层inp hemt的比接触电阻率达到6.22
×
10-4
ω
·
cm2；
[0070]
采用电子束蒸发方式制作pt(7nm)/ti(30nm)/pt(20nm)/au(180nm)栅极金属与天线；采用电子束蒸发方式制作ni(30nm)/au(300nm)加厚引线电极；并减薄裂片；最后通过金线的超声焊接与pcb测试电路板连通，进行引线封装，探测器制作完毕。
[0071]
实施例4
[0072]
一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括：
[0073]
在inp衬底上制作依次层叠设置的ingaas/inas/ingaas＝2nm/5nm/3nm复合沟道层和11nm的inalas势垒层，所述复合沟道层和inalas势垒层形成异质结，所述复合沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气；
[0074]
通过icp干法刻蚀inalas势垒层形成台面隔离，采用电子束蒸发等方式制作ni/ge/au欧姆接触金属，并于n2气氛、200℃条件下退火20秒，将温度升高到370℃条件下退火100秒，无帽层inp hemt的比接触电阻率达到3.20
×
10-3
ω
·
cm2；
[0075]
采用电子束蒸发方式制作pt(7nm)/ti(30nm)/pt(20nm)/au(180nm)栅极金属与天线；采用电子束蒸发方式制作ni(30nm)/au(300nm)加厚引线电极；并减薄裂片；最后通过金线的超声焊接与pcb测试电路板连通，进行引线封装，探测器制作完毕。
[0076]
对比例1
[0077]
一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，包括：
[0078]
在inp衬底上制作依次层叠设置的ingaas/inas/ingaas＝2nm/5nm/3nm复合沟道层和11nm的inalas势垒层，所述复合沟道层和inalas势垒层形成异质结，所述复合沟道层和inalas势垒层之间形成有二维电子气；
[0079]
通过icp干法刻蚀inalas势垒层形成台面隔离，采用电子束蒸发等方式制作ni/ge/au欧姆接触金属，并于n2气氛、370℃条件下进行退火处理80秒，无帽层inp hemt的比接触电阻率为3.13
×
10-4
ω
·
cm2；
[0080]
采用电子束蒸发方式制作pt(7nm)/ti(30nm)/pt(20nm)/au(180nm)栅极金属与天线；采用电子束蒸发方式制作ni(30nm)/au(300nm)加厚引线电极；并减薄裂片；最后通过金线的超声焊接与pcb测试电路板连通，进行引线封装，探测器制作完毕。
[0081]
完成了对无帽层inp hemt太赫兹探测器的光电响应测试，实施例1-4中的探测器的电流响应度在光源频率为289ghz时达到最大值27ma/w，此时的噪声等效功率最低为201pw/hz1/2。
[0082]
本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，在inp hemt中，无帽层结构的降低了材料外延生长成本，并简化制备工艺；同时，避免了在刻蚀帽层时引入大量表面态，在抑制栅极漏电的同时提升了器件的栅控特性，进而保证了探测器的灵敏度。
[0083]
本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，复合沟道结构的使用可改善载流子输运特性，高的载流子迁移率可使天线感应出更高的光电流信号心意提升了探测器的灵敏度。本发明实施例提供的一种基于无帽层inp hemt的太赫兹探测器的制作方法，采用无重掺杂帽层和复合沟道结构，降低工艺难度的同时保证了良好的栅控特性。
[0084]
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡
根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。