CN104111110B - 顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构及其应用。所述结构将普通的十字型超材料结构变成顶端扩展的十字型超材料结构，这种结构与普通的十字型超材料结构相比，顶端扩展的十字型超材料结构的尺寸更小，实现由60μm尺寸到30μm的缩小并实现同频率的太赫兹辐射吸收。这种结构不仅使天线对尺寸大为缩小，更重要的是能够将该结构置于微桥结构上，用于太赫兹室温探测器。这种结构具有尺寸缩小、结构简单、高太赫兹辐射吸收的特点，并且能与现有微桥结构兼容，制成太赫兹室温探测器，提高探测成像的分辨率。

Description

顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构及其应用

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测技术领域，更具体地，涉及一种缩小尺寸的太赫兹吸收结构，及其在太赫兹室温探测器上的应用。

背景技术

太赫兹波指频率介于0.1-10THz(波长3mm-30μm)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间，因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以至于该波段被称为电磁波普中的THz空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。

与其它波段的电磁波相比，THz电磁波有如下独特特点：①瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级；②宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频率可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位可以方便的提取样品的折射率、吸收率；④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被检测物质，从而可以安全的进行生物医学方面的检测和诊断；⑤穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，对藏匿物进行探测；⑥惧水性；大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有较强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质含水量或者进行产品质量控制；⑦光谱的特征吸收：由于许多极性大分子的振动和转动能级正好处于太赫兹频带范围，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。

太赫兹系统主要有辐射源、探测器和各种功能器件组成。在实际应用中THz探测器是太赫兹技术应用的关键器件。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹辐射信号具有极其重要的意义。为提高其检测能力，可以通过提高探测单元的太赫兹辐射吸收率来实现，而通过对微型缩小天线结构和顶端扩展的十字型超材料结构的太赫兹吸收结构的仿真发现，它们对太赫兹辐射有非常高的吸收率，通过将微型缩小天线和顶端扩展的十字型超材料结构与微桥结构相结合，可以实现太赫兹的实时探测成像。2008年美国波士顿大学H.Tao等人设计了第一类基于超材料的太赫兹波平面吸收材料。该材料具有三层结构，底层为长方形金属条，第二层为聚酰亚胺介质层，第三层即为超材料媒质层。第一类吸收材料在制备过程中需要两步光刻以及对准过程，最大吸收为70﹪。H.Tao随后提出了第二类太赫兹波平面吸收材料，该结构依然是一种三层结构，但是底层为连续金属薄膜，第二层依然为聚酰亚胺介质层，第三层超材料媒质层的人工单元。第二类吸收材料在制备上只需要一道光刻步骤，简化了光刻工艺和对准过程，因而制备更加容易。在文献（YongzhengWen，etc，＂Polarization-independentdual-bandterahertzmetamaterialabsorbersbasedongold/paryle-C/silicidestructure＂，2013）中，作者用金属/介质层/金属三明治结构来作为太赫兹吸收器，顶层是由方形和十字架结构组成的周期性阵列，材料是金，底层是钴-硅合金，中间介质层是paryle-C，这种结构的太赫兹波吸收器能吸收频率为0.83THz和2.38THz的太赫兹波，经过模拟和实验测量吸收率效率能分别达到54﹪和94﹪。但是目前他们都采用较厚的介质层并只将吸收器用于实验测量太赫兹吸收，并没有涉及于太赫兹探测器件的研究。从1992年，CEA-LETI已经开始涉及到非晶硅非制冷微测热辐射计的研究。这个技术产生在法国优利斯公司在2002年，在热红外传感器市场上已经是领导地位。在平面微测热探测器的基础上，CEA-LETI已经开始发展THz成像基于调整的红外微测热辐射计到太赫兹波，但是他们所涉及的天线的尺寸结构都比较大，不能与微桥结构相结合。

发明内容

本发明提供一种缩小尺寸的太赫兹吸收结构，使它们能够与微桥结构相结合，制成太赫兹波探测器,该探测器能有效增强太赫兹辐射吸收率，使高性能太赫兹探测器的实现成为可能。

为实现本发明目的，采用的技术方案为：

顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：包括三层结构，顶层为顶端扩展的十字型结构，中间层为介质层，底层为金属反射层。

进一步地，顶层由普通十字型结构与扩展的长方形结构组成。

进一步地，其材料为金属金、铝、钛、镍、铜及其合金，厚度为0.01-0.5μm。

进一步地，顶端扩展十字型图形的周期为30-50μm，整体长度为30-40μm，十字部分宽度为3-7μm，十字架顶端扩展长度为9-12μm，扩展部分宽度为2-5μm。

进一步地，该顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构对于太赫兹波的吸收频率为1.5-3.5THz中的特定频点。

进一步地，介质层厚度为1-3μm。

进一步地，反射层厚度0.1～0.5μm。

进一步地，底部金属反射层材料为金属金、铝、钛、镍、铜及其合金。

进一步地，根据上以上所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构在太赫兹室温探测器的应用。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明所涉及的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构及其应用，是采用顶端扩展的十字型超材料结构来替代普通十字形超材料结构，实现同频率的太赫兹波吸收。这种结构的优点是尺寸小，能够置于微桥桥面，与微桥结构相结合实现太赫兹波的吸收，从而实现对太赫兹波的探测与成像，并且制备工艺简单合理。这样就充分利用了现有的微桥结构易集成、阵列化、室温工作、实时探测、尺寸小优势，制造出高吸收效率的太赫兹波室温探测器。

2.该顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构对于太赫兹波的吸收频率为1.5-3.5THz中的特定频点。在该频点的天线对的吸收率超过99％。

3.顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构的尺寸为30-40μm，实现同频率吸收的普通天线结构尺寸为60-80μm。

4.顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构可以制作于微桥结构的顶部，形成太赫兹吸收图形。

附图说明

图1：普通十字形吸收图形(a)和顶端扩展的十字型吸收图形(b)的示意图。

图2：采用顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构的太赫兹室温探测器示意图。

图3：顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构示意图。

图4：顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构在频率为2.5THz处的吸收性能曲线，R为反射率，A为吸收率。

图中标号：1为衬底、10为驱动电路、21为反射层、22为电路接口、23为底部牺牲层、24为缓冲层、25为微桥支撑层、26为微桥顶部电极、27为敏感薄膜、28为氮化硅薄膜、30为顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构。

具体实施方式

本发明提出的顶端扩展的十字型太赫兹波吸收结构，其特征在于，顶层是顶端扩展的十字形金属图形，中间层是介质层，底层是金属反射层。

在硅片用磁控溅射法制备材料为铝的金属反射层，反射层的厚度在0.1-0.5μm范围内；在金属反射层上用自动涂胶轨道进行介质层聚酰亚胺的涂覆，介质层的厚度为1.9μm；在介质层上用PECVD设备及混频溅射技术制作低应力的氮化硅保护层,制备氮化硅层的厚度范围在0.1-1μm范围内；在保护层氮化硅上用AZ5214光刻胶进行顶层铝的顶端扩展的十字形结构的制备，然后用金属热蒸发法制备金属图形，薄膜的厚度在0.05-0.15μm范围内，最后用丙酮也在超声条件下进行光刻胶的剥离，剥离后在片面留下顶端扩展的十字形结构图形。

依据吸收中心频率点的位置调整，顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构尺寸变化不局限于30-40μm。

Claims (6)

1.顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：包括三层结构，顶层为顶端扩展的十字型结构，中间层为介质层，底层为金属反射层，其中，在介质层上制作有氮化硅保护层，顶端扩展的十字型结构在氮化硅保护层上，顶层由普通十字型结构与扩展的长方形结构组成，顶端扩展十字型图形的周期为30-50μm，整体长度为30-40μm，十字部分宽度为3-7μm，十字架顶端扩展长度为9-12μm，扩展部分宽度为2-5μm，该顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构对于太赫兹波的吸收频率为1.5-3.5THz中的特定频点。

2.根据权利要求1所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：顶层材料为金属金、铝、钛、镍、铜及其合金，厚度为0.01-0.5μm。

3.根据权利要求1所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：介质层厚度为1-3μm。

4.根据权利要求1所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：反射层厚度0.1～0.5μm。

5.根据权利要求1所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构，其特征在于：底部金属反射层材料为金属金、铝、钛、镍、铜及其合金。

6.根据权利要求1-5任一所述的顶端扩展的十字型太赫兹吸收结构在太赫兹波探测器的应用。