CN104167656A - 一种太赫兹光导天线及其制作 - Google Patents

Abstract

本发明一种太赫兹光导天线及其制作，具体指一种基于半绝缘砷化镓(SI-GaAs)材料，运用超短脉冲激光技术在其表面获得人工周期性微结构条纹、并结合半导体微加工工艺的太赫兹光导天线设计与制作，涉及太赫兹光电子器件技术领域。本发明通过飞秒脉冲激光烧蚀工艺有效地改变半导体表面形貌，改善光学吸收与电学特性，从而提高光电转换效率。结合半导体微加工工艺，精确控制微结构加工区域，降低天线的功耗，提升太赫兹发射的效率，采用Au/Ti电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，加工后材料光电性能明显改善，提高的器件的可靠性等特点，具有设备成本低、制备工艺简单、操作方便，为满足市场需求，提供了坚实的技术物质基础。

Description

一种太赫兹光导天线及其制作

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子器件技术领域，具体指一种基于半绝缘砷化镓(SI-GaAs)材料，运用超短脉冲激光技术在其表面获得人工周期性微结构条纹、并结合半导体微加工工艺的太赫兹光导天线设计与制作。 

背景技术

太赫兹时域光谱技术，在半导体纳米结构载流子动力学、蛋白质折叠动力学、电解质高频响应等基础研究领域，以及生物分子检测、医学影像、微电子检测方面都有巨大的应用前景，成为上述研究中要的技术手段，对我国发展材料科学、分子生物学、医学诊断，工业影像等学科具有重要的意义。太赫兹时域光谱技术中核心元件是高效的太赫兹发射源。目前，半导体光导天线发射器是最常见的太赫兹发射源，其核心必须满足以下条件： 

(一)半导体的能隙大于飞秒脉冲的光子能量； 

(二)半导体具有高光电导率； 

(三)半导体具有低载流子寿命； 

(四)半导体具有较高的载流子迁移率。 

当前，能够与钛宝石飞秒脉冲激光相匹配的太赫兹发射元件是基 于GaAs(GaAs)半导体器件，该材料由于本征载流子寿命长、表面电导率高而无法直接使用，必须通过必要的改性，如分子束外延(MBE)工艺获得低温生长GaAs(LT-GaAs)和纳米颗粒掺杂后的(ErAs:InGaAs)，或离子注入工艺的掺杂砷化镓(ion implanted GaAs)等，才能满足太赫兹光导天线的物理条件。制备这些材料的设备成本高，操作维护难度大，制备周期较长且产量较低，从而大大提高了太赫兹光导天线制作和使用成本。与此同时，由于光导天线需要外加偏置电压才能工作，如何提高太赫兹发射效率，降低能耗成为当前太赫兹光导天线研究的难题之一。 

飞秒脉冲激光烧蚀工艺是近年发展起来的一项新兴激光技术，通过对材料进行一定量的辐射后，在加工材料表面形成特定微米或纳米级的周期性结构，从而改变材料的表面形貌、光学性质和电学性能等。具有加工精度高、加工时间短、可重复性高、二次污染少等优点，在半导体材料和器件方面具有非常重要的应用前景。目前，SI-GaAs是最广泛使用的太赫兹光导天线材料。SI-GaAs的禁带宽度为1.42eV，能够满足0.8μm中心波长钛宝石激光器的共振激发条件。但由于受SI-GaAs的光学带隙和电学特性的限制，其太赫兹发射效率一直难以有很大的提高，虽然可以通过加大电极间距，配合强激光激发和高压偏置来提高辐射强度，但是能耗巨大，使用成本极高，不利于太赫兹时域光谱技术的小型化和实用化。因此开发一种低能耗、高效率的太赫兹光导天线有着重大的意义。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有GaAs光导天线所存在的技术缺陷和市场需求，提出一种发射增强型的太赫兹光导天线的设计、制作方法。 

在这方面，通过飞秒脉冲激光烧蚀工艺可以有效地改变半导体光学吸收与电学特性，从而提高光电转换效率。与此同时，结合半导体微加工工艺，在处理后的材料上制备特定结构的天线电极能够进一步提高太赫兹的峰值辐射强度，提升太赫兹发射的效率。 

本发明通过采用飞秒激光脉冲烧蚀法，对SI-GaAs基底进行辐射，改变基底表面的形貌，提升了光电转换效率。并结合半导体微加工技术，在加工后的SI-GaAs制备领结型欧姆接触电极，从而将太赫兹光导天线的发射效率提高一倍。 

本发明一种发射增强型的太赫兹光导天线的设计制作方法，包括：利用飞秒激光烧蚀SI-GaAs表面，产生人工周期性结构条纹的光电导层，从而导致光学吸收边红移波长超过1μm。 

利用剥离工艺在该光电导层上蒸镀领结结构的欧姆接触电极。 

进一步，包括以下步骤： 

将0.6μm厚的SI-GaAs在丙酮溶液和去离子水中进行超声清洗，吹干后置于程控二维移动载物台上待加工。 

采用一套钛宝石再生放大器以1kHz重复频率放大后获得脉宽为100fs，单脉冲能量5μJ的飞秒脉冲激光，经过显微镜(NA 0.15)聚焦后，照射SI-GaAs表面，同时控制二维移动载物台以800μm/s的移动速度，在垂直于入射激光的方向上移动，在SI-GaAs表面获得一块 8mm×8mm的激光加工区域。 

所述天线内电极的阴极和阳极是对称的领结结构，其中心间距为50μm，电极尖端边沿长度为50μm，领结结构的中心对顶角角度为60°，领结结构内电极向两侧拓展至3.5mm处时与外电极衔接，外电极长10mm、宽1mm。领结结构内电极有助于提高太赫兹脉冲的峰值幅度，外电极适合于支撑用的电路板地金属片进行键合。 

5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金做电极材料。该电极满足欧姆接触条件，无需在蒸镀后进行退火处理。 

所述的激光脉冲满足以下条件： 

重复频率1kHz、脉冲宽度100fs，单脉冲能量5μJ，激光焦斑的扫描速度为800μm/s。 

所述的微结构平均周期0.74μm，微结构形貌为平均长度5.2μm，平均宽度0.5μm。 

所述有效光电导层的阴极与阳极之间用于光激发的有效区域为50μm×50μm。 

所述激光烧蚀平台的构建： 

采用Spectra-Physics公司的Spitfire型再生式飞秒脉冲放大系统，其输出中心波长800nm，脉冲宽度120fs，重复频率1kHz。 

利用3组镀金的平面镜将激光光束导引到一个5倍放大的显微镜中(NA 0.15),在入射到显微镜前，采用一个中性衰减片，将平均功率700mW的激光衰减到5mW。 

显微镜的焦点位于一个电控平移台表面。在显微镜前放置一块分 束片，用于将样品表面的影像反射到电荷耦合显示器上用于实时监控样品加工过程。电控平移台和计算机相连，利用LabView界面编写程序控制电控平移台在X-Y二维方向上的移动。 

所述样品加工： 

将直径4英寸的SI-GaAs基片切割成10mm×10mm的正方形，并置于丙酮溶剂中放置于超声条件下清洗60s，取出表面有机污染，然后通过去离子水清洗得到待加工的基片；将基片放置在2维电控平移台上，当飞秒脉冲激光通过显微镜聚焦到样品表面后，电控平移台按照800μm/s的速度移动，使得激光焦斑在基片上逐行扫描，扫描的区域钡设定为8mm×8mm的正方形。 

将激光加工后的SI-GaAs基片放入去离子水，在超声状态下清洗干燥，在表面呈现周期性结构一侧旋涂光刻胶，按照正胶工艺曝光显影，将间隔宽度为对称领结型电极图形转移到周期性微结构光电导层上。紧接着将样品放入蒸发腔室中，再并通过热蒸发工艺将20nm钛和100nm金蒸镀到基底表面。金属化后通过剥离工艺获得与设计图案一致的天线电极，并保持电极与半导体表面的欧姆接触特性。 

本发明制备的产品通过以下手段进行性能表征：采用日本Hitachi S-4800型扫描电子电镜获得的周期性微结构形貌照片。采用Aquila Instrument公司的NKD-8000型透射反射光谱仪测定样品在0.5μm至1μm波长区间内的光学透射和反射光谱。采用WavelabInc.公司的SUN 2000型日光模拟器，测定稳态光电流，外加电压区间在-10V至+10V。采用Lakeshore 7500型霍尔系数测量系统测量样 品的载流子浓度、表面电导率、电荷迁移率。采用日本冲绳技术大学飞秒科学课题组自建的太赫兹时域光谱测量制作器件的太赫兹发射特性，包括太赫兹脉冲波形、太赫兹峰值与偏压之间的关系(Output-Voltage)。该系统包括：Femtolaser XS型高能量超短脉冲激光，两对直径100mm、焦距100mm的镀金离轴抛物面镜用来聚焦自由空间中的太赫兹辐射，通过由一块200μm厚的<110>晶向的ZnTe晶体、1/4波片、Wollastom棱镜组成的电光采样系统表征出器件的太赫兹发射脉冲波形。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：飞秒脉冲激光烧蚀技术与目前需要用半导体生长技术相比，设备成本低、制备工艺简单、操作方便，加工后材料光电性能明显改善，可以精确控制微结构加工区域，大大降低了成本。采用Au/Ti电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性。本发明所制备的亚铜离子掺杂的硫化锌铜纳米线可见光催化剂无贵金属负载在偏执电压14V、激光功率500mW飞秒脉冲激发下产生的光电流高于未加工SI-GaAs天线50％，并将吸收边从0.84μm提高到1μm以上。 

附图说明

图1为本发明飞秒脉冲激光对半导体表面进行周期性微结构加工后的光学吸收率比较图； 

图2为本发明太赫兹天线电极结构平面示意图； 

图3为本发明太赫兹天线发射特性的太赫兹时域波形图； 

图4为本发明太赫兹天线发射特性的太赫兹频谱图； 

图5为本发明太赫兹天线发射特性的太赫兹峰值幅度与偏置电压之间关系图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述 

实施例 

阶段一，飞秒脉冲激光对半导体表面进行周期性微结构加工。 

采用Spectra-Physics公司的Spitfire型再生式飞秒脉冲放大系统，其输出中心波长800nm，脉冲宽度120fs，重复频率1kHz。利用3组镀金的平面镜将激光光束导引到一个5倍放大的显微镜中(NA 0.15),在入射到显微镜前，采用一个中性衰减片，将平均功率700mW的激光衰减到5mW。显微镜的焦点位于一个电控平移台表面。在显微镜前放置一块分束片，用于将样品表面的影像反射到电荷耦合显示器上用于实时监控样品加工过程。电控平移台和计算机相连，利用LabView界面编写程序控制电控平移台在光学平台二维方向上的移动。 

将直径4英寸的SI-GaAs基片切割成10mm×10mm的正方形，并置于丙酮溶剂中放置于超声条件下清洗60秒，取出表面有机污染，然后通过去离子水清洗得到待加工的基片；将基片放置在2维电控平移台上，当飞秒脉冲激光通过显微镜聚焦到样品表面后，电控平移台按照800μm/s的速度移动，使得激光焦斑在基片上逐行扫描，扫描 的区域钡设定为8mm×8mm的正方形。 

阶段一、后样品表面周期性微结构加工后，所述的微结构平均周期0.74μm，微结构形貌为平均长度5.2μm，平均宽度0.5μm。 

阶段一，后样品的光学吸收率比较(如附图1所示)。附图中黑色区域对应未处理过的SI-GaAs在0.5μm～1.1μm波长区间内的吸收百分率，条纹区域对应飞秒脉冲激光对半导体表面进行周期性微结构加工后的SI-GaAs在同一光学波长区间内的吸收百分率，由此可见吸收系数明显增大，吸收边显著红移。 

阶段二，领结型光导天线电极的制作。 

天线内电极的阴极和阳极是对称的领结结构，其中心间距为50μm，电极尖端边沿长度为50μm，领结结构的中心对顶角角度为90°，领结结构内电极向两侧拓展至2.5mm处时与外电极衔接，外电极长10mm、宽2mm。按照该结构图型订购光掩膜版，然后采用正胶工艺在将光导天线图案转移到SI-GaAs上有周期性微结构的一侧，具体流程如下： 

第一步：将阶段一后的样品置于去离子水中，并在25kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物。然后用高压氮气将表面吹干。 

第二步：将干燥后的样品置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在周期性微结构表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。 

第三步：涂胶后的样品被放置与110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。 

第四步：将涂有光刻胶的样品转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜图形转移到样品上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水槽中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干样品表面。 

第五步：将干燥后的样品置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-5mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.2nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。 

第六步：将金属化后的样品浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离SI-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在SI-GaAs上，成为所设计的领结型天线电极。 

上述方法飞秒共振激发诱导表面周期性微结构光电导层的制作，其特点，采用共振激发，激光波长为0.8μm，对应单光子能量1.5eV，高于能隙为1.42eV的GaAs；激光重复频率1kHz、脉冲宽度100fs， 单脉冲能量5μJ；激光焦斑的扫描速度为800μm/s，表面微加工时间仅仅300s。所获得的微结构平均周期0.74μm，微结构形貌为平均长度5.2μm，平均宽度0.5μm。 

上述方法太赫兹光导天线电极的设计，其特点，所述天线内电极的阴极和阳极是对称的领结结构，其中心间距为50μm，电极尖端边沿长度为50μm，领结结构的中心对顶角角度为90°，领结结构内电极向两侧拓展至2.5mm处时与外电极衔接，外电极长10mm、宽2mm(如附图2所示)。领结结构内电极有助于提高太赫兹脉冲的峰值幅度，外电极适合于支撑用的电路板地金属片进行键合。 

上述方法太赫兹光导天线电极的金属结构，其特点，以20nm厚钛金属做粘结层，100nm厚金做电极材料。该电极满足欧姆接触条件，无需在蒸镀后进行退火处理。领结结构内电极有助于提高太赫兹脉冲的峰值幅度，外电极适合于支撑用的电路板地金属片进行键合。 

阶段二，器件太赫兹发射特性的太赫兹时域波形图(如附图3所示)，以及对应的太赫兹频谱图(如附图4所示)。 

阶段二，器件太赫兹发射特性的太赫兹峰值幅度与偏置电压之间关系图(如附图5所示)，其中叉形点线表示未经过激光表面处理的天线的发射-偏压关系，球状点线表示未本发明所描绘的天线的发射-偏压关系。 

结果表明本实施例所制备的太赫兹光导天线在10V低偏压和100mW激发功率下，比未做激光表面微结构的SI-GaAs上制备同样天线效率提高50％。 

综上所述，本发明一种太赫兹光导天线及其制作，在通过飞秒脉冲激光烧蚀工艺有效地改变半导体表面形貌，改善光学吸收与电学特性，从而提高光电转换效率。与此同时，结合半导体微加工工艺，在处理后的材料上制备特定结构的天线电极能够进一步提高太赫兹的峰值辐射强度，提升太赫兹发射的效率，克服传统SI-GaAs光导天线所存在的技术缺陷，采用Au/Ti电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性等特点，具有设备成本低、制备工艺简单、操作方便，加工后材料光电性能明显改善，可以精确控制微结构加工区域，大大提高了太赫兹发射效率，降低了天线的功耗，相较其它方法，降低了制作和使用成本。为满足市场需求，提供了坚实的技术物质基础。 

Claims (9)

1.一种太赫兹光导天线，其特征在于，采用飞秒激光烧蚀SI-GaAs表面，人工周期性微结构条纹的光电导层，导致光学吸收边红移波长大于1μm；

采用标准半导体器件微加工工艺在该光电导层上制作领结结构的欧姆接触电极。

2.如权利要求1所述的一种高效太赫兹光导天线的制作，其特征在于，所述光电导层的制备，包括以下步骤：

将600μm厚的SI-GaAs在丙酮溶液和去离子水中进行超声清洗，吹干后置于程控二维移动载物台上待加工；

采用一套钛宝石再生放大器，以1kHz重复频率放大后获得脉宽为100fs，单脉冲能量5μJ的飞秒脉冲激光，经过显微镜NA0.15聚焦后，照射SI-GaAs表面，同时控制二维移动载物台以800μm/s的移动速度，在垂直于入射激光的方向上移动，在SI-GaAs表面获得一块8mm×8mm的激光加工区域。

3.如权利要求1所述的一种高效太赫兹光导天线，其特征在于，所述领结结构，其中心间距为50μm，电极尖端边沿长度为50μm，领结结构的中心对顶角角度为20°至160°，其中90°为最佳，领结结构内电极向两侧拓展至2.5mm处时与外电极衔接，外电极长10mm、宽2mm。

4.如权利要求1、3所述的一种高效太赫兹光导天线，其特征在于，所述光导天线电极，采用5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金材料做电极。

5.如权利要求2所述的一种高效太赫兹光导天线的制作，其特征在于，所述的激光脉冲满足以下条件：

重复频率1kHz、脉冲宽度100fs，单脉冲能量5μJ，激光焦斑的扫描速度为800μm/s。

6.如权利要求1所述的一种高效太赫兹光导天线，其特征在于，所述人工周期性微结构条纹平均周期为0.74μm，平均长度为5.2μm，平均宽度为0.5μm。

7.如权利要求1、3所述的一种高效太赫兹光导天线，其特征在于，所述有效光电导层的阴极与阳极之间用于光激发的有效区域为50μm×50μm。

8.如权利要求1所述的一种高效太赫兹光导天线的制作，其特征在于，所述标准半导体器件微加工工艺，如采用正胶工艺、热蒸发工艺、剥离工艺，经激光加工后的光电导层上制作领结结构的欧姆接触电极。

9.如权利要求1所述的一种高效太赫兹光导天线的制作，其特征在于，所述领结型光导天线电极的制作，包括步骤：

将金属化后的样品浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离SI-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在SI-GaAs上，成为领结型天线电极。