本发明提供了一种优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到阻挡杂质带探测器的最佳阻挡层厚度，该厚度能使探测器获得高响应率的同时也具有低的噪声，进而根据优化后的结果设计并制作了高性能阻挡杂质带探测器。该方法的优点在于，可以针对不同材料体系及不同外延工艺得到的阻挡杂质带探测器提取出相应的最佳阻挡层厚度，由此设计的探测器性能将具有最优值，从而避免为了提高器件性能而进行反复试片，极大地降低了研发成本。
1.一种优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤2：根据BIB探测器的结构模型构建相应的物理模型；
步骤3：制备实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数；测量的关键材料参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度、阻挡层掺杂浓度及厚度；
步骤4：将太赫兹辐射从正面垂直照射到器件上，并根据步骤3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时器件的归一化响应谱，并提取峰值波长λP；
步骤5：改变阻挡层厚度，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时，λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到拟合正电极偏压UF下λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线的函数式RP(hB)；
步骤6：由数值模拟分别得到不同阻挡层厚度下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线，其中，所述亮电流IL即为器件受到太赫兹辐照时通过的电流；
步骤7：获取当正电极偏压U＝UF时，亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到拟合正电极偏压UF下亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线的函数式IL(hB)；
步骤8：根据亮电流IL与噪声电流谱密度ni的对应关系以及步骤7所得的函数式IL(hB)，得到噪声电流谱密度ni随阻挡层厚度hB变化的函数式ni(hB)；
步骤9：定义探测器优值因子，并获取探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线；具体地，定义峰值响应率RP与噪声电流谱密度ni之商，即RP/ni为探测器优值因子；
步骤10：根据探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线确定最佳阻挡层厚度。
2.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层和电极层；
步骤1.2：在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。
3.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤2包括：联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入连续性方程中，其中所述载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述载流子的产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
4.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤5包括：固定正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，且固定入射波长λ为步骤4所得的λP，改变阻挡层厚度，由数值模拟得到λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，通过拟合正电极偏压UF下λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到峰值响应率RP关于不同阻挡层厚度hB的函数式RP(hB)。
5.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤7包括：在步骤6中得到的不同阻挡层厚度hB下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线中，固定正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，得到正电极偏压UF下亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线，通过拟合正电极偏压UF下亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到亮电流IL关于不同阻挡层厚度hB的函数式IL(hB)。
6.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤8包括：根据亮电流IL与噪声电流谱密度ni的对应关系 及步骤7所得函数式IL(hB)，得到噪声电流谱密度ni随阻挡层厚度hB变化的函数式ni(hB)，其中单位电荷电量q＝
7.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤9包括：通过步骤5所得函数式RP(hB)除以步骤8所得函数式ni(hB)，得到探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线。
8.根据权利要求1所述的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，其特征在于，所述步骤10包括：根据步骤9得到的探测器优值因子RP/ni随阻挡层厚度hB变化的曲线，将RP/ni取最大值时所对应的hB确定为最佳阻挡层厚度。
优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体光探测器技术，具体地，涉及一种优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法。
背景技术
[0002] 空间诸多冷目标的发射谱均集中在太赫兹(THz)谱段，无法采用现有的天基红外系统或地基雷达进行探测，而天基太赫兹探测系统可以弥补此不足，极大提高目标检测的成功率。近年来，天基太赫兹探测技术迅速发展，应用领域涉及大气监测和天文观测，原因如下：
[0003] 1)大气中多数物质成分的转动和振动光谱都位于THz谱段；
[0004] 2)行星、宇宙尘埃和新生恒星的黑体辐射峰值均位于THz谱段；
[0005] 3)由于宇宙加速膨胀带来的多普勒效应，来自遥远星系的辐射信号在THz谱段最强。
[0006] 为了满足天基应用的高分辨、大视场和高帧率等极端要求，太赫兹探测器必须具备高灵敏、大面阵和高响应速度等严格条件。阻挡杂质带探测器在0.9～20THz频率范围内具有极高的响应速度(ps量级)和灵敏度(噪声等效功率约10-17～10-19W·Hz-1/2)，阵列规模可达2048×2048，位居所有太赫兹探测器之首，且无需工作在极低温度下(约12K)，是国际上公认的适合天基太赫兹应用的首选探测器。
[0007] 阻挡杂质带(Blocked Impurity Band,BIB)探测器可分为硅基、锗基和砷化镓基三类，它们已成功搭载在斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope,SST)、詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)等卫星上面，为天基太赫兹应用起到了关键作用。BIB探测器的结构特征是一本征的阻挡层和一重掺杂的吸收层夹于正负电极之间，正入射的太赫兹辐射可以直接透过阻挡层被吸收层吸收，在杂质带与导带之间形成电子跃迁，跃迁之后的电子可以通过弯曲的导带被正电极收集，从而完成光信号到电信号的转化。BIB探测器的性能追求高的响应率及低的噪声，阻挡层作为其结构的功能层，具有抑制噪声的作用，但阻挡层的存在也会降低探测器的响应率，而且响应率和噪声对阻挡层厚度的变化均比较敏感。
[0008] 因此，通过优化阻挡层的厚度来提高BIB探测器的性能显得尤为重要。本发明从BIB探测器的性能着手研究，考察阻挡层厚度对响应率及噪声的影响，所得结果将会对该探测器的优化设计具有一定的指导意义。
发明内容
[0009] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法。
[0010] 根据本发明提供的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤1：构建阻挡杂质带(BIB)探测器的结构模型；
[0012] 步骤2：根据BIB探测器的结构模型构建相应的物理模型；
[0013] 步骤3：制备实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数；
[0014] 步骤4：将太赫兹辐射从正面垂直照射到器件上，并根据步骤3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时器件的归一化响应谱，并提取峰值波长λP；
[0015] 步骤5：改变阻挡层厚度，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时，λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式RP(hB)；
[0016] 步骤6：由数值模拟分别得到不同阻挡层厚度下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线，其中，所述亮电流IL即为器件受到太赫兹辐照时通过的电流；
[0017] 步骤7：获取当正电极偏压U＝UF时，亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线，得到拟合该曲线的函数式IL(hB)；
[0018] 步骤8：根据亮电流IL与噪声电流谱密度ni的对应关系以及步骤7所得的函数式IL(hB)，得到噪声电流谱密度ni随阻挡层厚度hB变化的函数式ni(hB)；
[0019] 步骤9：定义探测器优值因子，并获取探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线；
[0020] 步骤10：根据探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线确定最佳阻挡层厚度。
[0021] 优选地，所述步骤1包括：
[0022] 步骤1.1：在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层和电极层；
[0023] 步骤1.2：在电极层上形成正电极，在高导衬底上形成负电极。
[0024] 优选地，所述步骤2包括：联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入连续性方程中，其中所述载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述载流子的产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
[0025] 优选地，所述步骤5包括：固定正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，且固定入射波长λ为步骤4所得的λP，改变阻挡层厚度，由数值模拟得到λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，通过拟合该曲线得到峰值响应率RP关于不同阻挡层厚度hB的函数式RP(hB)。
[0026] 优选地，所述步骤7包括：在步骤6中得到的不同阻挡层厚度hB下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线中，固定正电极偏压U为步骤4所述的固定偏压UF，得到该正电极偏压下亮电流随阻挡层厚度变化的曲线，通过拟合该曲线得到亮电流IL关于不同阻挡层厚度hB的函数式IL(hB)。
[0027] 优选地，所述步骤8包括：根据亮电流IL与噪声电流谱密度ni的对应关系及步骤7所得函数式IL(hB)，得到噪声电流谱密度ni随阻挡层厚度hB变化的函数式ni(hB)。
[0028] 优选地，所述步骤9包括：定义峰值响应率RP与噪声电流谱密度ni之商，即RP/ni为探测器优值因子，通过步骤5所得函数式RP(hB)除以步骤8所得函数式ni(hB)，得到探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线。
[0029] 优选地，所述步骤10包括：根据步骤9得到的探测器优值因子RP/ni随阻挡层厚度hB变化的曲线，将RP/ni取最大值时所对应的hB确定为最佳阻挡层厚度。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0031] 1、本发明提供的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，首先通过数值模拟及数据拟合得到阻挡杂质带探测器的最佳阻挡层厚度，该厚度能使探测器获得高响应率的同时也具有低的噪声，为设计并制作高性能阻挡杂质带探测器提供了可靠的依据。
[0032] 2、本发明提供的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，可以针对不同材料体系(包括：硅基、锗基和砷化镓基)及不同外延工艺(包括：气相外延、液相外延和分子束外延)得到的阻挡杂质带探测器提取出相应的最佳阻挡层厚度，由此设计的探测器性能将具有最优值，避免为了提高器件性能而进行反复试片，因此更加便捷可靠，同时极大地降低了研发成本。
附图说明
[0033] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0034] 图1为台面型阻挡杂质带探测器的结构示意图；
[0035] 图2为当正电极偏压固定在3V时数值模拟与实验测量得到的归一化响应谱对比；
[0036] 图3为当正电极偏压固定在3V时峰值响应率随阻挡层厚度变化的拟合曲线；
[0037] 图4为不同阻挡层厚度下亮电流随正电极偏压变化的一系列曲线；
[0038] 图5为当正电极偏压固定在3V时亮电流随阻挡层厚度变化的拟合曲线；
[0039] 图6为探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线。
[0040] 图1中：
[0041] 1-负电极；
[0042] 2-电极层；
[0043] 3-正电极；
[0044] 4-电极层；
[0045] 5-负电极。
具体实施方式
[0046] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0047] 根据本发明提供的优化阻挡杂质带(BIB)探测器阻挡层厚度的方法，该方法通过数值模拟及数据拟合得到BIB探测器响应率及噪声电流谱密度随阻挡层厚度变化的规律。为了使探测器获得高响应率的同时也具有低的噪声，定义峰值响应率与噪声电流谱密度之商为探测器优值因子，通过分析优值因子随阻挡层厚度变化的规律确定了最佳阻挡层厚度，进而根据优化后的结果设计并制作了BIB太赫兹探测器。其步骤如下：
[0048] 步骤S1：构建阻挡杂质带(BIB)探测器的结构模型；
[0049] 即在高导衬底上依次形成吸收层、阻挡层和电极层，然后在电极层上形成正电极，以及在高导衬底上形成负电极；具体地，如图1所示，在N型高导硅衬底上依次形成重掺杂的N型吸收层、本征的阻挡层和重掺杂的N型电极层，然后在电极层上形成正电极，以及在高导衬底上形成负电极。
[0050] 步骤S2：根据BIB探测器的结构模型构建相应的物理模型；
[0051] 具体地，联立泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，以及将载流子复合率及光生载流子产生率通过产生复合项加入连续性方程，其中载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，光生载流子产生项通过耦合吸收系数模型来描述其产生率，此外还需考虑载流子的低温冻析效应、势垒隧穿效应以及速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解。
[0052] 步骤S3：制备实验测量样品，提取BIB探测器的物理模型的关键材料参数；
[0053] 具体地，在高导衬底上依次生长重掺杂的吸收层和本征的阻挡层，以此作为实验测量样品，测量的关键材料参数包括：样品的载流子迁移率及寿命、衬底掺杂浓度及厚度、吸收层掺杂浓度及厚度、阻挡层掺杂浓度及厚度。
[0054] 更进一步地，即在N型高导硅衬底上依次生长重掺杂的N型吸收层和本征的阻挡层，然后采用低温霍尔测试的方法得到电子迁移率μe＝1.21×107cm2/Vs，空穴迁移率μh＝1.03×106cm2/Vs，电子寿命τe＝1×10-3s，空穴寿命τh＝3×10-4s，采用扩展电阻分析的方法
19 -3 17 -3
得到衬底掺杂浓度NS＝2×10 cm ，衬底厚度hS＝450μm，吸收层掺杂浓度NA＝5×10 cm ，吸收层厚度hA＝30μm，阻挡层掺杂浓度NB＝1×1013cm-3，阻挡层厚度hB＝8μm。
[0055] 步骤S4：将太赫兹辐射从正面垂直照射到器件上，并根据步骤S3中提取到的物理模型的关键材料参数选取一个固定偏压UF，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时器件的归一化响应谱，并提取峰值波长λP；
[0056] 具体地，所述的归一化响应谱是指峰值归一化后的响应与入射波长的对应关系，而峰值波长是指响应峰值对应的入射波长；选取一个固定偏压UF＝3V，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF＝3V时器件的归一化响应谱(图2)，如图2所示，模拟与实验符合得较好，证明本发明模型构建及参数提取方法的可靠性，由图2提取峰值波长λP＝25μm。
[0057] 步骤S5：改变阻挡层厚度，由数值模拟得到当正电极偏压U＝UF时，λP对应的峰值响应率RP随阻挡层厚度hB变化的曲线，通过拟合该曲线得到函数式RP(hB)；
[0058] 具体地，固定正电极偏压U为步骤S4所述的固定偏压UF＝3V，且固定入射波长λ为步骤S4所得的λP＝25μm，拟合得到RP(hB)的表达式如下：
[0059] RP(hB)＝55.57605-5.10224hB。
[0060] 步骤S6：由数值模拟分别得到不同阻挡层厚度下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线，其中，所述亮电流IL即为器件受到太赫兹辐照时通过的电流；具体地，如图4所示。
[0061] 步骤S7：在步骤S6中得到的不同阻挡层厚度hB下亮电流IL随正电极偏压U变化的一系列曲线中，固定正电极偏压U为步骤S4所述的固定偏压UF＝3V，得到该正电极偏压下亮电流IL随阻挡层厚度hB变化的曲线，通过拟合该曲线得到函数式IL(hB)：
[0062]
[0063] 步骤S8：根据亮电流IL与噪声电流谱密度ni的对应关系 及步骤S7所得函数式IL(hB)，得到噪声电流谱密度ni随阻挡层厚度hB变化的规律ni(hB)，其中单位电荷电量q＝1.60218×10-19C，ni(hB)的表达式如下：
[0064]
[0065] 步骤S9：定义峰值响应率RP与噪声电流谱密度ni之商，即RP/ni为探测器优值因子，通过步骤S5所得函数式RP(hB)除以步骤S8所得函数式ni(hB)，得到探测器优值因子随阻挡层厚度变化的曲线；具体地，如图6所示。
[0066] 步骤S10：根据步骤S9得到的探测器优值因子RP/ni随阻挡层厚度hB变化的曲线，将RP/ni取最大值时所对应的hB确定为最佳阻挡层厚度；具体地，如图6所示，当hB＝5.6μm时，探测器优值因子RP/ni取最大值，即针对本实施例的BIB探测器，最佳阻挡层厚度为5.6μm。
[0067] 步骤S11：采用与步骤S3中实验测量样品相同的材料体系及工艺条件在高导衬底上依次生长重掺杂的吸收层和本征的阻挡层，其中，阻挡层厚度设计为步骤S10所得的最佳阻挡层厚度，然后经过标记制作、离子注入、台面刻蚀、电极制作、表面钝化、腐蚀开孔及电极加厚等七步工艺完成器件制作；
[0068] 更进一步地，利用本发明提供的优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法所得到的最佳阻挡层厚度进行器件制作，包括如下步骤：
[0069] 步骤A1：采用与步骤S3中实验测量样品相同的材料体系及工艺条件在450μm厚的高导硅衬底上依次生长30μm厚的重掺杂吸收层和5.6μm厚的本征阻挡层，其中衬底、吸收层和阻挡层的掺杂浓度分别为2×1019cm-3、5×1017cm-3和1×1013cm-3；
[0070] 步骤A2：在阻挡层上通过光刻工艺获得标记区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au双层金属，然后经丙酮剥离后形成光刻标记；
[0071] 步骤A3：在阻挡层上通过光刻工艺获得离子注入所需窗口，在窗口区域注入磷离子，然后经快速热退火工艺形成电极层；
[0072] 步骤A4：在电极层上通过光刻工艺获得刻蚀所需窗口，采用深硅刻蚀工艺纵向刻蚀36μm以去除窗口区域的电极层、阻挡层和吸收层，形成光敏台面；
[0073] 步骤A5：利用光刻工艺获得正、负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属，然后经丙酮剥离及退火工艺后形成正、负欧姆接触电极；
[0074] 步骤A6：采用等离子体增强化学气相沉积工艺生长500nm厚的氮化硅钝化层；
[0075] 步骤A7：利用光刻工艺在正、负电极区域形成腐蚀所需窗口，然后用氢氟酸缓冲液腐蚀电极区域的氮化硅，完成电极开孔；
[0076] 步骤A8：利用光刻工艺再次获得正、负电极区域窗口，采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au双层金属，然后经丙酮剥离后完成电极加厚。至此具有最佳性能的硅基阻挡杂质带探测器制作完毕。
[0077] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。
