基於超材料的毫米波單譜信號探測器的製造方法

2023-10-09 17:31:29

基於超材料的毫米波單譜信號探測器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於超材料的毫米波單譜信號探測器，包括自下而上依次設置的襯底層、N型砷化鎵層、二氧化矽層與超材料層、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構的金屬開環共振單元陣列，金屬開環共振單元陣列包含了一種圖形及其特徵尺寸參數，該圖形對於特定電磁波具有完全吸收特性，通過改變金屬開環共振單元的結構和尺寸參數可以調控對應的電磁波吸收頻段，通過改變N型砷化鎵的耗盡層寬度可以調控超材料層中金屬開環共振單元陣列的電磁波吸收強度。本實用新型具有高靈敏度和高速特性，通過選擇特定金屬開環共振單元結構可以將探測器工作於毫米波的一個特定波段。
【專利說明】基於超材料的毫米波單譜信號探測器

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於信號探測【技術領域】，更具體地，涉及一種基於超材料的毫米波單譜信號探測器。

【背景技術】
[0002]毫米波探測在機場安檢系統、通信、雷達和氣象等眾多領域都有著廣泛地應用。常見的毫米波探測器包括掃描子系統、接收機子系統和定標子系統，其探測裝置需配置複雜精密的飼服、驅動或掃描機構，體積和質量大，響應慢。
[0003]在要求高速、高靈敏度、多譜信號探測的場合下，現有毫米波探測器的性能會存在許多不足，主要體現在:1、毫米波探測器的譜成像裝置仍需配置複雜的伺服、驅動或掃描機構，體積和質量大；2、毫米波探測器響應速度較慢；3、毫米波探測器的光譜探測範圍不能輕易擴展。
實用新型內容
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基於超材料的毫米波單譜信號探測器，其目的在於，解決現有毫米波信號探測器中存在的體積大、響應慢、光譜探測範圍不能輕易擴展的技術問題。
[0005]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種基於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、二氧化矽層、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，二氧化矽層設置於N型砷化鎵層上面，超材料層設置於N型砷化鎵層上面，歐姆電極設置於N型砷化鎵層上面，肖特基電極設置於二氧化矽層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設置於超材料層的左右兩端，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，以完全吸收毫米波。
[0006]優選地，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，且與N型砷化鎵層形成肖特基接觸。
[0007]優選地，襯底層為半絕緣砷化鎵、矽、或三氧化二鋁。
[0008]優選地，歐姆電極為鎳、鍺、和金，其厚度分別為20-30nm、200-300nm和20_30nm。
[0009]優選地，肖特基電極為鈦和金，其厚度分別為20-30nm和200_250nm。
[0010]優選地，金屬開環共振單元陣列的製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]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0012]1、本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器體積小:由於所述超材料的製作採用微納米光刻工藝，在1_2尺寸內可以集成數千個金屬開環共振單元，因此基於超材料的毫米波單譜信號探測器體積很小、重量很輕。
[0013]2、本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器響應速度較快:由於超材料層的金屬開環共振單元具有完全吸收對應波段電磁信號的能力，一旦與對應毫米波段信號產生共振，其共振響應速度屬於超高速響應，能夠在極短時間內產生響應信號。
[0014]3、本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器只需要交流信號發生器等少量電子資源輔助其進行工作，從而節省了外圍電路資源。
[0015]4、本實用新型可以通過修改金屬開環共振單元的圖形參數，改變金屬開環共振單元的共振頻率，因此提供了一種可根據實際需要改變信號探測波長的能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器的縱向剖面示意圖。
[0017]圖2是本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器的俯視示意圖。
[0018]圖3是本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器中金屬開環共振單元陣列的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0020]本實用新型的基本思路在於，本實用新型可根據所設計的金屬開環共振單元對應的電磁共振頻率，通過超材料層中的金屬開環共振單元的電磁共振導致金屬發熱改變金屬電阻率實現電磁波信號的能量收集，並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。
[0021]如圖1所示，本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器包括自下而上依次設置的襯底層1、N型砷化鎵層2、二氧化矽層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，二氧化矽層3設置於N型砷化鎵層2上面，超材料層4設置於N型砷化鎵層2上面，歐姆電極5設置於N型砷化鎵層2上面，肖特基電極61和62設置於二氧化矽層3上面，歐姆電極5和一對肖特基電極61和62分別設置於超材料層4的左右兩端。
[0022]超材料層4為具有周期性微納米結構的金屬層，所述周期性微納米結構的金屬層包含一種圖形及其特徵尺寸參數，其對於毫米波具有完全吸收特性。
[0023]襯底層可選用但不限於半絕緣砷化鎵，還可以是矽、三氧化二鋁等。
[0024]肖特基二極體的歐姆電極5可選用但不限於鎳、鍺、金，其厚度優選為20_30nm、200-300nm和20_30nm ；肖特基電極61和62可選用但不限於鈦、金，其厚度優選為20_30nm和 200-250nm。
[0025]超材料層4由周期性微納金屬結構構成，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，可以通過調整周期性微納金屬結構的尺寸對其工作波段進行優化。
[0026]當超材料層4用於電磁信號探測時，超材料層4採用的周期性微納米結構的周期應該遠小於對應電磁信號的波長，從而滿足亞波長器件的實際工作性能。
[0027]如圖2所示,超材料層4包括一個金屬開環共振單元陣列(Split ring resonatorarray)41，其中金屬開環共振單元陣列41的共振頻率對應於一個毫米波長。為了清晰地展示工作於毫米波段的超材料結構和特徵尺寸參數，本實施例將超材料層4中的金屬開環共振單元陣列41進行了放大，如圖3所示。金屬開環共振單元陣列41的製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，當工作於毫米波段時，金屬開環共振單元陣列41中每個金屬開環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 ；
[0028]上述由一種圖形組成的金屬開環共振單元陣列等效為一個LC共振電路，當目標電磁波信號7垂直入射到超材料層4後，這些LC共振電路將與毫米波段內特定波長的電磁波產生共振，吸收入射電磁波7中相應波長的能量，進而使得金屬開環共振單元發熱升溫，由於金屬開環共振單元中間連接線區域又細又長，共振時的表面電流經過該區域時由於電阻的突然變大必然導致溫度迅速升高，從而迅速改變金屬開環共振單元金屬的電阻率；通過施加2V交流電壓於一對肖特基電極61和62上，當交流電壓峰峰值變化幅度超過設定閾值時，表明該金屬開環共振單元探測到了對應波長的信號；通過施加O?5V反向直流偏壓於肖歐姆電極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，並進一步增大金屬開環共振單元的電阻率，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，實現毫米波單譜信號的探測。
[0029]本實用新型基於超材料的毫米波單譜信號探測器的製備方法包括如下步驟:
[0030](I)在襯底層I上通過金屬有機化合物化學氣相澱積法注入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 ；
[0031](2)在N型砷化鎵層2上通過等離子體增強化學氣相澱積法製備二氧化矽層3，其厚度為300nm?400nm ；
[0032](3)在二氧化矽層3上先通過正膠工藝光刻歐姆電極接觸孔，並使用溼法腐蝕對歐姆電極接觸孔進行腐蝕處理，接著通過負膠工藝光刻歐姆電極，再採用電子束蒸發的方式依次蒸發堆疊在一起的鎳、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後形成歐姆電極5 ;
[0033](4)在二氧化矽層3上先通過正膠工藝光刻肖特基接觸孔，並使用溼法腐蝕對肖特基接觸孔進行腐蝕處理，以腐蝕二氧化矽層3，接著通過負膠工藝光刻肖特基電極，再採用電子束蒸發的方式依次蒸發堆疊在一起的Ni/Au層(其厚度分別為200-250nm/20-30nm)，將Ni/Au層進行剝離，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位於二氧化矽層3上，且肖特基電極61、62和超材料層4之間的距離為Imm?
1.5mm。
[0034]因此，本實用新型採用了肖特基二極體結構，其以超材料層的金屬開環共振單元陣列作為完全吸光介質，通過電阻率的變化導致交流信號峰峰值的改變獲得信號探測能力；通過上述製備方案集成於以單片砷化鎵為襯底的肖特基二極體中，實現毫米波單譜信號探測器。
[0035]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於超材料的毫米波單譜信號探測器，包括襯底層、~型砷化鎵層、二氧化矽層、超材料層、歐姆電極和一對肖特基電極，其特徵在於，~型砷化鎵層形成在襯底層上面，二氧化矽層設置於~型砷化鎵層上面，超材料層設置於~型砷化鎵層上面，歐姆電極設置於~型砷化鎵層上面，肖特基電極設置於二氧化矽層上面，歐姆電極和一對肖特基電極分別設置於超材料層的左右兩端，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，以完全吸收毫米波。
2.根據權利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特徵在於，超材料層為具有周期性微納米結構的金屬層，且與~型砷化鎵層形成肖特基接觸。
3.根據權利要求1所述的毫米波單譜信號探測器，其特徵在於，襯底層為半絕緣砷化鎵、矽、或三氧化二鋁。
【文檔編號】H01L31/0352GK204130556SQ201420516362
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】羅俊, 別業華, 李維軍, 張新宇, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張天序, 謝長生 申請人:華中科技大學