Способ изготовления фотопроводящих антенн
PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к технологии формирования фотопроводящих антенн, предназначенных для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона. Данный способ позволяет увеличить соотношение сигнал/шум и коэффициент оптико-терагерцевой конверсии антенны за счет значительного уменьшения темнового (шумового) тока по сравнению с фотопроводящей антенной, планарно нанесенной на поверхность полупроводникового слоя, независимо от его однородности или состава. Повышение уровня полезного сигнала в фотопроводящих антеннах является чрезвычайно важной задачей для наиболее эффективного использования таких антенн во всех областях, требующих наибольшей чувствительности или мощности генерируемого излучения.
Фотопроводящая антенна для использования в системах ТГц-спектроскопии представляет собой два электропроводящих контакта (электрода) требуемой топологии, нанесенных на поверхность фотопроводящего слоя и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, к которым приложена разность потенциалов. Зазор между электродами освещается ультракоротким импульсом накачки длительностью порядка нескольких фемтосекунд, что приводит к появлению фотовозбужденных носителей заряда и практически мгновенному переводу антенны в проводящее состояние, во время которого она излучает электромагнитный импульс ТГц диапазона. Мощность этого импульса зависит в том числе от отношения величины фототока к темновому току, который определяется характеристиками материала и площадью контактов, по которой происходит утечка. В патенте [US 5729017 A], принятом за прототип, описывается стандартная технология изготовления фотопроводящей антенны, в которой антена формируется напылением системы металлов Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Ag, силицидов или легированного поликристаллического кремния на подложку с фотопроводящим слоем по маске с нужной топологией с последующим "взрывом". Чаще всего в качестве фотопроводящего слоя используется низкотемпературный арсенид галлия (LT-GaAs), обладающий высоким удельным сопротивлением. Это позволяет уменьшить темновой ток и разогрев фотопроводника за счет быстрой рекомбинации носителей заряда, которые при фотовозбуждении находятся глубоко в объеме и не могут дать вклад в формирование ТГц импульса, а также увеличить прикладываемую разность потенциалов к электродам фотопроводящей антенны. Однако даже при использовании высокоомного материала для фотопроводящего слоя в такой технологии темновой ток может быть достаточно высок, поскольку никак специально не ограничивается и протекает по всей возможной площади в зависимости от топологии антенны.
Существуют различные подходы к повышению эффективности работы фотопроводящей антенны. С одной стороны, это модификация свойств или топологии фотопроводящего материала. В патенте [DE 102006010297 В3] предлагается использовать специальную конструкцию фотопроводящей области полупроводниковой структуры, которая состоит из распределенного брэгговского отражателя снизу и четвертьволнового отражателя сверху, между которыми расположены фотопоглощающие системы слоев толщиной λ/2. Такая конструкция служит резонатором, в котором прошедшее и не поглощенное в активных слоях излучение переотражается и может многократно проходить через фотопоглощающие слои. Степень поглощения оптического импульса в такой структуре может составлять 98%, что приводит к увеличению фототока, но не оказывает никакого влияния на темновой ток. Вместо фотопроводящего слоя на основе LT-GaAs можно использовать соединения на основе InGaAs, имеющего существенно более высокую подвижность электронов, чем GaAs. Для уменьшения времени жизни носителей в таких структурах формируется сверхрешетка, в которой между слоями InGaAs помещены широкозонные слои InAlAs, выращенные при пониженной температуре [R. J. В. Dietz, М. Gerhard, D. Stanze, М. Koch, В. Sartorius, М. Schell, THz generation at 1.55 μm excitation: six-fold increase in THz conversion efficiency by separated photoconductive and trapping regions / OPTICS EXPRESS (2011) V. 19, No. 27, Р. 25911]. Это приводит к возникновению центров рекомбинации в них, что повышает удельное сопротивление структуры при сохранении подвижности в InGaAs. Поскольку проводимость в такой системе выше, чем в высокоомных образцах на основе LT-GaAs, при изготовлении фотопроводящих антенн требуются дополнительные меры для уменьшения темнового тока такие, как вытравливание меза-изоляции вокруг активной области в зазоре электродов антенны [Н. Roehle, R. J. В. Dietz, Н. J. Hensel, J.  H.  D. Stanze, M. Schell, Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers / OPTICS EXPRESS (2010), V. 18, No. 3, P. 2296]. Меза-изоляция, хотя и является эффективным способом ограничения темнового тока в некоторых структурах, совершенно неэффективна при использовании в качестве фотопроводника однородных материалов большой толщины, например, полуизолирующего GaAs.
С другой стороны, повысить эффективность ФПА можно с помощью модификация топологии антенны или материала электродов. В [GB 2392779 A, GB 2409337 А] используются высокоомные контакты антенны на основе окислов соединения олова с индием. Это приводит к увеличению высокочастотной доли в спектре излучения антенны с одновременным уменьшением низкочастотных компонент. Недостатком является уменьшение напряженности электрического поля в зазоре, что негативно сказывается на величине фототока. Одним из наиболее перспективных способов увеличения эффективности ФПА является использование плазмонного резонанса [US 8785855 B2, US 20140346357 A1]. Эффект проявляется за счет передачи энергии импульса оптической накачки через щелевые волноводы, образованные металлическими электродами в виде ламелей определенной топологии. Электроды формируются на краю электрода фотопроводящей антенны со стороны положительного потенциала. Аспектное соотношение и высота электродов зависят от длины волны и материала фотопроводника и рассчитываются из максимума коэффициента передачи энергии через канализированные моды в щелевых волноводах, образованных металлическими ламелями. Оптический импульс с р-поляризацией при накачке фокусируется на электродах плазмонной решетки. Таким образом, за счет плазмонного резонанса происходит передача энергии импульса накачки через щелевые волноводы, а за счет существенного увеличения площади поверхности электрического контакта антенны возрастает фототок. При этом технические решения, позволяющие уменьшить величину темнового тока, и, таким образом, еще повысить эффективность антенны, не применяются.
Техническим результатом изобретения является универсальная, воспроизводимая и легко контролируемая на каждом этапе технология формирования фотопроводящих антенн, в которых металлизация антенны лежит на диэлектрическом слое с окнами, которым покрыта поверхность фотопроводящего слоя. Окна в диэлектрическом слое обеспечивают электрический контакт металлизации антенны с полупроводником. Благодаря этому значительно улучшаются характеристики прибора, в частности, темновой ток в отсутствие импульса оптической накачки может быть уменьшен на несколько порядков по сравнению антенной, в которой металлизация нанесена на поверхность полупроводника, что значительно увеличивает соотношение сигнал/шум и эффективность оптико-терагерцевого преобразования такой антенны. Универсальность предлагаемой технологии заключается в том, что для улучшения характеристик она может применяться практически к любой технологии формирования фотопроводящих антенн, вне зависимости от топологии, материала фотопроводящего слоя или антенны, включая контакты с плазмонной решеткой.
Технический результат достигается за счет уменьшения площади поверхности, на которой возникают токи утечки. Контакт металлизации фотопроводящей антенны с полупроводником осуществляется через окна в диэлектрическом слое, находящиеся непосредственно в области оптической накачки. Для этого достаточно нанести на поверхность фотопроводника диэлектрический слой, сформировать окна в местах контакта металлизации с фотопроводящим слоем и обеспечить конформное (безразрывное) нанесение металлизации антенн на краях окон. Поскольку большая часть металлизации антенны в таком случае лежит на диэлектрическом слое, как фототок, так и ток утечки может течь только в местах контакта металлизации с полупроводником. Таким образом, величина тока утечки будет определяться не общей площадью металлизации антенны, а площадью окон в диэлектрическом слое, которая в сотни раз меньше площади металлизации антенны.
Способ позволяет формировать фотопроводящую антенну с контролируемыми параметрами геометрии, такими как топология металлизации антенны и окон в диэлектрическом слое. Способ отличается универсальностью и простотой за счет использования ограниченного количества видов технологических операций, в которые входят только стандартные процессы литографии, нанесения и травления диэлектрика, а также напыления металлов.
Суть изготовления фотопроводящей антенны для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона заключается в нанесении слоя диэлектрика на поверхность полупроводника (фотопроводящего слоя), нанесении слоя фоторезиста и последующим формированием литографической маски и вскрытии окон в диэлектрическом слое методом жидкостного или плазмохимического травления. После этого наносится фоторезист для взрывной литографии, экспонируется и проявляется рисунок металлизации фотопроводящих антенн с контактными площадками. Затем в зависимости от выбранного типа травления окон напыляется металлизация антенн методом, обеспечивающим конформность (безразрывность) металлизации на краях ступеней окна и с помощью "взрыва" удаляется оставшийся металл.
Фиг. 1. и Фиг. 2. Снимки растрового электронного микроскопа области зазора между электродами фотопроводящих антенн различной топологии, изготовленных согласно примеру 1.
ПРИМЕР 1.
Предлагаемый способ позволяет сформировать фотопроводящую антенну с любой требуемой топологией, металлизация которой лежит на поверхности диэлектрического слоя, а электрический контакт антенны с фотопроводящим слоем обеспечивается через окна в диэлектрике и включает в себя следующую последовательность операций.
1. На полупроводниковую структуру с фотопроводящим слоем наносится слой диэлектрика, например, SiNx. Толщина диэлектрика выбирается таким образом, чтобы она обеспечивала изоляцию металлизации антенны от фотопроводящего слоя с одной стороны и формирование наклонных стенок при жидкостном травлении окон с другой.
2. На поверхность слоя диэлектрика наносится слой фоторезиста, например, S1818 для формирования литографической маски окон в диэлектрике и границ отдельных кристаллов с фотопроводящими антеннами.
3. Экспонирование и проявление рисунка для вскрытия окон и границ кристаллов в диэлектрике.
4. Жидкостное травление в буферном травителе, например, HF окон в диэлектрике по сформированной маске.
5. Нанесение слоя фоторезиста, например, S1818 для формирования литографической маски фотопроводящих антенн и последующего удаления остатков металла методом "взрыва".
6. Экспонирование и проявление рисунка топологии фотопроводящих антенн.
7. Термическое напыление металла фотопроводящих антенн, и его "взрыв" в соответствующем растворителе, например, н-метилпирролидоне.
ПРИМЕР 2.
Отличается от примера 1 тем, что в пункте 4 используется плазмохимическое травление окон в диэлектрике, при котором из-за анизотропного травления формируются вертикальные границы ступени. А в п. 7 для конформного (безразрывного) напыления металла антенны на ступень применяется магнетронное распыление.