CN104466617A - 太赫兹光源芯片、光源器件、光源组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹光源芯片、光源器件、光源组件及其制造方法，光源芯片包括：二维电子气台面；形成在二维电子气台面上的用于激发等离子体波的电极；形成在二维电子气台面下方的太赫兹谐振腔，谐振腔底面设置有全反射镜；以及光栅，其形成在二维电子气台面上，用于将等离子体波模式与太赫兹谐振腔腔模相耦合，以产生太赫兹波发射。本发明利用太赫兹谐振腔腔模与光栅下二维电子气内的等离子体波模式的强耦合形成等离极化激元，通过等离极化激元的电学激发产生太赫兹波发射，避免了依靠单个电子的高频振荡或单个电子的量子跃迁产生太赫兹发射存在频率低或工作温度低的问题，扩大了发射频率范围和工作温度范围。

Description

太赫兹光源芯片、光源器件、光源组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及产生太赫兹辐射的技术，更具体地，涉及一种太赫兹光源芯片、光源器件、光源组件及其制造方法。

背景技术

太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1-10THz(1THz＝1000GHz＝10¹²Hz)、波长为30微米-3毫米的电磁波，处于电磁频谱的毫米波波段和红外光波段之间，旧称亚毫米波或远红外。太赫兹波的辐射也称为太赫兹辐射(terahertz radiation)。能够产生太赫兹波辐射的器件或装置称为太赫兹光源(terahertzsource)、太赫兹发射器(terahertz emitter)。

现有的产生太赫兹辐射的技术方案可以主要分为以下三大类：

第一类是电子学技术方案，就是通过电子的加速运动、在实空间或动量空间中的往复运动产生高频电磁波辐射。这一类的太赫兹光源器件包括耿氏负阻振荡器、共振隧穿二极管振荡器、雪崩渡越二极管振荡器和基于晶体管的振荡器等电子器件或电路。电子学技术方案也包括将微波信号进行多次倍频和功率放大产生太赫兹波辐射的技术方案。

第二类方案是光子学技术方案，就是利用电子在量子能级间的跃迁产生太赫兹波光子的发射。基于这一技术方案的太赫兹波光源有基于气体分子转动能级的气体激光器和基于超晶格人工量子能级的量子级联激光器。

第三类是光子学技术与电子学技术相结合的技术方案。主要有基于飞秒超短光脉冲的宽谱太赫兹光源及其泵浦探测技术，非线性光学整流和差频技术。

此外，还存在一种基于等离子体波(plasma wave，也称等离激元)实现太赫兹发射源的产生太赫兹辐射的技术方案，该技术方案既不同于基于单电荷运动电子学方案或单电荷能级跃迁的光子学方案，也不同于飞秒超短脉冲激发技术方案。

基于等离子体波实现太赫兹发射源的技术方案最早出现在1980，由D.C.Tsui,E.Gornik和R.A.Logan等人在二维电子气中发现了等离子体波的太赫兹发射。1993年Dyakonov和Shur提出了能够把直流电流有效转化为等离子体波激发的器件结构和浅水波理论模型。但是，利用该方法产生太赫兹发射一直存在发射效率低、功率低和需要较低的温度的问题。Shur等人在美国发明专利US 7,619,263 B2中提出了利用高电子迁移率晶体管中的等离子体波共振实现射频、太赫兹的探测、发射和调控。该发明专利的原理基于1993年Dyakonov和Shur提出浅水波失稳理论，采用飞秒激光在二维电子气中激发等离子体波，利用施加在器件上的源漏电压和栅极电压对等离子体波和太赫兹波进行调控。该发明专利中器件包含单个或多个单栅的高电子迁移率晶体管或具有光栅栅极的高电子迁移率晶体管。另，Shur等人的美国发明专利US 7,638,817 B2进一步对美国发明专利US 7,619,263 B2进行了改善和补充，提出了亚微米栅长的高电子迁移率晶体管微波、太赫兹器件，包括探测器、光源和调制器，提出的器件结构不需要Dyakonov和Shur所要求的不对称边界条件就能够实现探测、发射和调控功能。Otsuji等人的美国发明专利US 7,915,641 B2提出了采用入射激光实现等离子体波的激发。该发明专利利用两束差频可见光或红外光共同激发双光栅调制的二维电子气，实现振荡频率为差频的等离子体波的激发，并利用光栅与衬底下表面形成的太赫兹谐振腔进行正反馈，获得太赫兹波的放大，解决从等离子体波到太赫兹发射的转换效率低的问题。该发明专利中采用的双光栅的目的是在二维电子气中形成能级分裂的等离子体波，使该能级分裂量与两束激发光的频率差相等，从而实现从可见光或红外光到等离子体波的激发。该发明专利也提出了双光束激发与二维电子气源漏电流相结合提高发射效率的方法。2011年公开的中国发明专利申请CN101964500A中提出了利用太赫兹波谐振内电子场发射和谐振腔腔模的耦合实现等离子体波的电学激发方法。

等离子体波是指同一种极性电荷的集合体在相反极性电荷背景下产生的浓度波动，具有波的特性，是一种电荷的集体激发模式。特定模式的电荷浓度波动，即特定模式的等离子体波，成为等离激元(plasmon)。可通过激发固体中的电子气而产生等离子体波或等离激元。在体材料情况下，成为三维等离子体波或三维等离激元。在二维电子气中，则成为二维等离子体波或二维等离激元。

二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)是指在半导体异质结界面处窄带隙半导体表面形成的准二维电子层，如AlGaAs/GaAs异质界面处GaAs表面的二维电子气、AlGaN/GaN异质界面处GaN表面的二维电子气、Si/SiGe异质结界面处Si表面的二维电子气。由于二维电子气内电子可以与掺杂杂质在空间上有效分离，因此二维电子气具有比相应半导体体材料中载流子更高的迁移率。

但二维电子气的电子迁移率毕竟是有限的。由于有限的电子迁移率，等离子体波模式的品质因子较低、损耗大，因此不利于从驱动电流到等离子体波激发的转换效率的提高。

在上述基于等离子体波实现太赫兹发射源的现有技术中，没有明确说明等离子体波低的品质因子等问题的解决方案。

因此，需要一种能够提高等离子体波激发的总体效率的技术方案。

发明内容

本发明提供了一种太赫兹光源芯片、光源器件、光源组件及其制造方法，从而消除由于现有技术的限制或缺陷而造成的至少一个问题。

根据本发明的一方面，提供了一种太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片包括：电子气台面；形成在电子气台面上的电极；形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。

所述电子气台面优选为二维电子气台面。所述电极用于激发等离子体波。所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述光栅用于将所述等离子体波模式与所述太赫兹谐振腔腔模相耦合，以产生太赫兹波发射。

该太赫兹光源芯片还可包括：谐振腔平板，其设置在所述光栅上方。

所述谐振腔平板的上表面或下表面可形成有部分透射的反射镜或全反射镜。

如果太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有部分透射的反射镜；如果太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有全反射镜。所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离优选地满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

根据本发明的另一方面，提供了一种太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片包括：电子气台面；形成在电子气台面上的电极；形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。其中，所述电极包括：与所述电子气台面形成欧姆接触的源极和漏极，以及栅极；其中，由所述光栅作为所述栅极或者所述栅极单独地形成。

所述源极和漏极之间可被施加有电压，以在源极和漏极间产生电子气的驱动电流，从而从电子气中激发出等离子体波。优选地，所述源极和漏极之间施加的电压可调。

所述栅极和电子气台面间存在电势差，且栅极的电势低于电子气台面的电势，以在所述栅极和电子气之间产生隧穿电流，从而从电子气中激发出等离子体波。

所述栅极被施加负电压、正电压或零电压，优选为施加负电压。所述栅极被施加直流电压或交流电压。所述隧穿电流是电子从栅极隧穿至电子气而产生。所述栅极和电子气台面间存在的电势差可调。所述电势差小于电子气材料的击穿电压。

所述电子气台面优选为二维电子气台面。所述电子气台面可由电子气材料形成。

所述电子气材料可为以下中的一种或几种：GaN/AlGaN、InAlN/GaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、Si/SiGe、InN、Si/SiO₂、石墨烯和MoS₂、金刚石、单层、双层、三层的石墨烯、Si/SiO₂/Al金属-氧化物-半导体、硅纳米线、GaAs纳米线、InGaAs纳米线、GaN纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线，掺杂的硅体材料、掺杂的GaAs体材料、掺杂的GaN体材料、掺杂的锗体材料、掺杂的InGaAs体材料、掺杂的InP体材料、掺杂的SiC体材料、掺杂的金刚石体材料、掺杂的氧化锌体材料。

所述电子气材料优选为二维电子气材料，可以为以下中的一种或几种：GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、Si/SiGe、InN、石墨烯和MoS₂。

所述太赫兹谐振腔可为平板谐振腔或曲面谐振腔。

所述太赫兹谐振腔可为所述电子气台面的衬底。

所述全反射镜和部分透射的反射镜可具有以下结构中的一种：球面结构、椭球面结构、非球面结构、非对称结构。

所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述光栅用于将所述等离子体波模式与所述太赫兹谐振腔腔模相耦合，以产生太赫兹波发射。

根据本发明的另一方面，提供了一种太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片包括：电子气台面；形成在电子气台面上的电极；形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。其中所述太赫兹谐振腔可为所述电子气台面的衬底。

所述太赫兹谐振腔厚度由目标太赫兹发射频率来确定。所述谐振腔厚度D可取为：

$D=\frac{2k-1}{n}\frac{c}{{4f}_0},k=\mathrm{1,2,3},......,$

其中，f₀为目标太赫兹发射频率，n为谐振腔内介质的太赫兹波折射率，c为光速，k为整数。

所述谐振腔厚度小于1000微米，优选为小于600微米，更优选为小于400微米。

所述光栅间距小于50微米，优选为小于10微米。

所述光栅长度小于50微米，优选为50纳米-10微米

所述光栅周期小于10微米，优选为小于4微米。

所述太赫兹谐振腔为平板谐振腔或曲面谐振腔。

所述太赫兹谐振腔的材料为蓝宝石、石英晶体、高阻单晶硅中的一种或几种。

所述电子气台面优选为二维电子气台面。

所述电子气台面由电子气材料形成。

所述电子气材料可为以下中的一种或几种：GaN/AlGaN、InAlN/GaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、i/SiGe、InN、Si/SiO₂、石墨烯和MoS₂、金刚石、单层、双层、三层的石墨烯、Si/SiO₂/Al金属-氧化物-半导体、硅纳米线、GaAs纳米线、InGaAs纳米线、GaN纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线，掺杂的硅体材料、掺杂的GaAs体材料、掺杂的GaN体材料、掺杂的锗体材料、掺杂的InGaAs体材料、掺杂的InP体材料、掺杂的SiC体材料、掺杂的金刚石体材料、掺杂的氧化锌体材料。

所述电子气材料优选为二维电子气材料，可以为以下中的一种或几种：GaN/AlGaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、Si/SiGe、InN、石墨烯和MoS₂。

所述电极包括与所述电子气台面形成欧姆接触的源极和漏极，以及栅极，其中，所述光栅作为所述栅极或者所述栅极单独地形成。

所述源极和漏极之间可被施加有电压，以在源极和漏极间产生电子气的驱动电流，从而从电子气中激发出等离子体波。优选地，所述源极和漏极之间施加的电压可调。

所述栅极和电子气台面间存在电势差，以在所述栅极和电子气之间产生隧穿电流，从而从电子气中激发出等离子体波。优选地，所述栅极和电子气台面间存在的电势差可调。

所述栅极和电子气台面间存在电势差，且栅极的电势低于电子气台面的电势。

所述隧穿电流是电子从栅极隧穿至电子气而产生。

所述电势差小于电子气材料的击穿电压。

所述电极用于激发等离子体波。

所述全反射镜和部分透射的反射镜具有以下结构中的一种：球面结构、椭球面结构、非球面结构、非对称结构。

所述的反射镜是金属或合金镀膜形成的金属或合金反射镜，所述金属或合金可以是金、铝和银，或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜；或是由超导薄膜材料构成的超导反射镜，所述超导薄膜可以是NbN、Nb或YiBaCuO－；或是由两种介电常数不同的介质材料交替叠合形成的分布式布拉格反射镜，所述的介质材料可以是无机介电材料或有机高分子介质材料，如高阻硅、蓝宝石、石英、玻璃、聚乙烯、聚四氟乙烯、TPX(Polymethylpentene)。

所述的反射镜优选是金属或合金镀膜形成的金属或合金反射镜。

所述的金属或合金镀膜可以是金、铝和银，或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜。

所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述光栅用于将所述等离子体波模式与所述太赫兹谐振腔腔模相耦合，以产生太赫兹波发射。

根据本发明的另一方面，还提供一种太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片包括：电子气台面；形成在电子气台面上的电极；形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置部分透射的反射镜；光栅，该光栅形成在所述电子气台面上；谐振腔平板，设置在所述光栅上方；以及形成在所述谐振腔平板的上表面或下表面的全反射镜。

根据本发明另一方面，还提供一种太赫兹光源器件，该太赫兹光源器件包括具有如上结构的太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片封装在芯片座或印刷电路板上。

根据本发明另一方面，还提供一种太赫兹光源组件，该太赫兹光源组件包括太赫兹光源器件，该太赫兹光源器件集成在波导中。

根据本发明另一方面，还提供一种太赫兹光源芯片的制造方法，该方法包括以下步骤：在电子气衬底上形成电子气台面；在所述电子气台面上形成激发等离子体波的电极和光栅；以及基于所述电子气衬底生成太赫兹谐振腔，其中，生成太赫兹谐振腔的步骤包括：从所述电子气衬底的背面进行衬底的减薄和抛光处理，获得预定的谐振腔厚度和镜面平整度；以及在经过减薄抛光的电子气衬底背面形成全反射镜或部分透射的反射镜。

所述电子气台面优选为二维电子气台面。

所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述方法还可包括：将一谐振腔平板进行集成在所述光栅上方，其中，太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有部分透射的反射镜，或太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离优选地满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

根据本发明另一方面，还提供一种形成太赫兹光源芯片的方法，该方法包括以下步骤：将电子气材料转移到太赫兹谐振腔的上表面，其中所述太赫兹谐振腔的下表面具有全反射镜面或部分透射的反射镜；在所述太赫兹谐振腔的上表面形成电子气台面；以及

在所述电子气台面上形成激发等离子体波的电极和光栅。

所述电子气材料优选为二维电子气材料。

所述电子气台面优选为二维电子气台面。

所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述方法还可包括：将一谐振腔平板进行集成在所述金属耦合光栅上方，其中，太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有部分透射的反射镜，或太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离优选地满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

根据本发明的另一方面，还提供了一种太赫兹光源芯片的制造方法，该方法包括以下步骤：在电子气衬底上形成电子气台面；在所述电子气台面上形成激发等离子体波的电极和光栅；以及基于所述电子气衬底生成太赫兹谐振腔，其中，生成太赫兹谐振腔的步骤包括：从所述电子气衬底的背面进行衬底的减薄和抛光处理，获得预定的谐振腔厚度和镜面平整度；在经过减薄抛光的

电子气衬底背面形成部分透射的反射镜；以及将一谐振腔平板集成在所述金属耦合光栅上方，其中，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有全反射镜。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种制造太赫兹光源器件的方法，该方法包括：将制造的太赫兹光源芯片封装在芯片座或印刷电路板上，而形成所述太赫兹光源器件。

根据本发明的另一方面，还提供一种形成太赫兹光源组件的方法，该方法包括以下步骤：将太赫兹光源器件与太赫兹波导进行集成，从而形成太赫兹光源组件。

根据本发明的另一方面，还提供了一种等离激元激发方法，所述等离激元激发是向电子气中注入隧穿电子。

所述电子气优选为二维电子气。

所述等离激元激发方法通过施加在电极和电子气沟道之间的电势差来注入遂穿电子。

所述电势差由电极上的电势比电子气沟道中的电势低而形成。

所述电势差由对电极上施加负电压、正电压或零电压形成，优选为对电极施加负电压。。

所述电势差由对电极施加直流电压或交流电压形成。

所述电极为栅极。

根据本发明的另一方面，还提供了一种等离激元激发装置，所述等离激元激发装置包括：电极；电子气沟道；以及电极和电子气沟道之间的势垒层。其中，电极和电子气沟道间存在电势差，且电极的电势低于电子气沟道的电势。

所述电势差小于势垒层击穿电压。

所述势垒层为半导体材料、真空层或量子阱材料。

所述电势差由对电极施加负电压、正电压或零电压形成。优选地，所述电势差由对电极施加负电压形成。

所述电势差由对电极施加直流电压或交流电压形成。

所述电极为栅极。

根据本发明的另一方面，还提供了一种太赫兹强耦合装置，所述太赫兹强耦合装置包括：光栅和太赫兹谐振腔，所述光栅在所述太赫兹谐振腔上方。

所述光栅优选为金属耦合光栅。

所述太赫兹谐振腔厚度由目标太赫兹发射频率来确定。所述谐振腔厚度D可取为：

$D=\frac{2k-1}{n}\frac{c}{4f_0},k=\mathrm{1,2,3},......,$

其中，f₀为目标太赫兹发射频率，n为谐振腔内介质的太赫兹波折射率，c为光速，k为整数。

所述谐振腔厚度小于1000微米，优选为小于600微米，更优选为小于400微米。

所述光栅间距小于50微米，优选为小于10微米。

所述光栅长度小于50微米，优选为50纳米-10微米

所述光栅周期小于10微米，优选为小于4微米。

所述太赫兹谐振腔为平板谐振腔或曲面谐振腔。

所述太赫兹谐振腔的材料为蓝宝石、石英晶体、高阻单晶硅中的一种或几种。

所述太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜。

所述的太赫兹强耦合装置还包括：谐振腔平板，设置在所述光栅上方，与太赫兹谐振腔分别处于光栅两侧。其中太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有部分透射的反射镜；或太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

全反射镜和部分透射的反射镜面具有以下结构中的一种：球面结构、椭球面结构、非球面结构、非对称结构。

所述的反射镜是金属或合金镀膜形成的金属或合金反射镜，所述金属或合金可以是金、铝和银，或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜；或是由超导薄膜材料构成的超导反射镜，所述超导薄膜可以是NbN、Nb或YiBaCuO－；或是由两种介电常数不同的介质材料交替叠合形成的分布式布拉格反射镜，所述的介质材料可以是无机介电材料或有机高分子介质材料，如高阻硅、蓝宝石、石英、玻璃、聚乙烯、聚四氟乙烯、TPX(Polymethylpentene)。

所述的反射镜优选是金属或合金镀膜形成的金属或合金反射镜。

所述的金属或合金镀膜可以是金、铝和银，或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜。

本发明通过太赫兹谐振腔内的太赫兹波模式与光栅下电子气内的等离子体波模式的强耦合产生等离极化激元(plasmon polariton)模式，能够采用等离极化激元的电学激发产生太赫兹波发射，避免了依靠单个电子的高频振荡或单个电子的量子跃迁产生太赫兹发射存在频率低或工作温度低的问题，扩大了发射频率范围和工作温度范围。

附图说明

图1为示出了根据本发明实施方式的太赫兹光源的基本原理的示意图；

图2为等离子体波的色散关系和太赫兹谐振腔腔模的色散关系图；

图3A为根据本发明一实施方式的太赫兹光源的结构俯视图；

图3B为图3A中的太赫兹光源器件的剖面图和电流驱动示意图；

图4为制造本发明一实施方式的太赫兹光源器件的简要流程图；

图5为制造本发明一实施方式的太赫兹光源组件的工艺流程示例；

图6为根据本发明另一实施方式的太赫兹光源器件的剖面图；

图7示出了太赫兹光源中光栅、谐振腔耦合下产生的等离子体波和太赫兹谐振腔模；

图8示出了由栅压和源漏电压控制的发射光谱；

图9为制造本发明另一实施方式的太赫兹光源器件的简要流程图；

图10为制造本发明另一实施方式的太赫兹光源组件的工艺流程示例；

图11示出了太赫兹光源芯片与波导装置集成后的示意图；

图12示出了根据一个实施方式的具有谐振腔腔长调节装置的太赫兹光源器件的剖面示意图；以及

图13示出了根据另一实施方式的具有谐振腔腔长调节装置的太赫兹光源器件的剖面示意图。

图14本发明一实施方式的太赫兹光源器件因太赫兹谐振腔厚度不同(其他太赫兹谐振腔结构参数都一致)而形成的不同发射效果。A图为光源器件的谐振腔厚度为212微米时的发射光谱，B图为光源器件的谐振腔厚度为609微米时的发射光谱。谐振腔长度越小，耦合强度越强，发射光谱中的等离极化激元特征越明显。

图15谐振腔不同厚度，光栅不同长度、周期、间隔所形成的不同太赫兹发射效果。图A谐振腔厚度为200微米，光栅周期为4微米，栅长为2微米，栅间隔为2微米。图B：谐振腔厚度为70微米，光栅周期为6微米，栅长为2微米，栅间隔为4微米。谐振腔厚度越大，发射谱线间距越小；栅长越小，等离激元频率越高；栅间隔越小，耦合越强，发射光谱中的等离极化激元特征越明显。

图16负栅压和正栅压下光源器件的发射频谱。负栅压对发射频谱有较强的调制能力，正栅压对频谱的调制能力弱。

图17器件的发射功率和栅极电流随栅极电压的变化图。栅极电压为负时，转换效率高。栅极电压为正时，转换效率低。

图18源漏电流激发与栅极电流激发效率的对比图。栅极电流的激发效率远高于源漏电流的激发效率。

具体实施方式

在本发明实施方式中，是通过太赫兹耦合光栅将等离子体波模式和太赫兹谐振腔腔模进行强耦合形成等离极化激元模式实现太赫兹光源的。更具体地，通过施加在太赫兹光源芯片一个或多个电极上的直流或交流电流激发出电子气中的等离子体波，由光栅将等离子体波模式与谐振腔中的太赫兹波模式进行强耦合，形成等离极化激元模式，即同时具有等离子体波和太赫兹电磁波的特性的一种新的状态。由此，提高从等离子体波到太赫兹辐射的转换的总体效率。也就是说，本发明通过向电子气注入直流或交流电流激发等离子体波，由于光栅和太赫兹谐振腔将等离子体波模式与太赫兹谐振腔腔模进行强耦合形成等离极化激元模式，从而产生太赫兹波的发射。采用光栅下等离子体波模式与太赫兹谐振腔腔模强耦合产生等离极化激元的概念是现有太赫兹光源技术所没有提出过的。

首先，本发明方法通过向电子气中注入高能电子从而激发等离激元，即从电极向沟道注入隧穿电子，电子从高能量状态弛豫到电子气低能量状态过程中激发等离激元，该过程与隧穿渡越时间基本无关。本方法适用于二维电子气，同样也适用于三维电子气或一维电子气。激发等离激元是通过扰动沟道中的电子体系实现的，与电子气维度无关。本方法与其它通过栅极隧穿电流激发等离激元的方法有本质的不同。文献(V.Ryzhii,M.Shur,Analysis of tunneling-injection transit-time effects and self-excitation of terahertzplasma oscillations in high-electron-mobility transistors,Jpn.J.Appl.Phys.41,922-924(2002))所描述的方法依赖电子在渡越通过栅极势垒层的过程中与等离激元的相互作用，因此必须使栅极正电压达到一定的阈值条件才能形成等离子体波的激发。本方法激发等离激元无阈值电压特性。更为特别的是本方法可在栅极电压为负的情况下更加有效地激发等离激元。

本发明中通过电极和电子气之间的电势差来注入电子，所述电势差是指电极上的电势比电子气的电势低，从而使得电子能从电极注入到电子气中。例如，电子气接地、电极施加负电压。所述电极可以施加正电压、负电压、零电压，所述电势差小于势垒层的击穿电压，所述电极上的电压可以是直流电压，或是交流电压。所述电极可以为栅极。

所述等离子体波是指同一种极性电荷的集合体在相反极性电荷背景下产生的浓度波动，具有波的特性，是一种电荷的集体激发模式。特定模式的电荷浓度波动，即特定模式的等离子体波，成为等离激元(plasmon)。可通过激发固体中的电子气而产生等离子体波或等离激元。在体材料情况下，成为三维等离子体波或三维等离激元。在二维电子气中，则成为二维等离子体波或二维等离激元。

所述电子气是固体材料经过电离、掺杂或极化而产生的带负电的自由电子体系。由于该体系中电子可以自由运动且充满整个外界允许的物理空间，电子的运动类似于气体分子，故称这种电子体系为电子气(当电子气浓度更高、电子电子相互作用增强时，也称为电子液体)。所述电子气可以是一维电子气或二维电子气或三维电子气。

所述一维电子气(one-dimensional electron gas，1DEG)是指只能在一个维度自由运动的电子体系。所述一维电子气材料为硅纳米线、GaAs纳米线、InGaAs纳米线、GaN纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线。

所述二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)是指在某一维度的运动受到限制而在另外两个维度可以自由运动的电子体系。所述电子气可以是半导体异质结界面处窄带隙半导体表面形成的准二维电子层，如AlGaAs/GaAs异质界面处GaAs表面的二维电子气、AlGaN/GaN异质界面处GaN表面的二维电子气、Si/SiGe异质结界面处Si表面的二维电子气。所述二维电子气材料是异质结材料，如GaN/AlGaN、InAlN/GaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、Si/SiGe、Si/SiO₂，或是表面自发极化材料，如InN、金刚石，或是二维晶体材料，如单层、双层、三层的石墨烯和MoS₂，或是能够产生电荷积累或电荷反型从而形成二维电子气的金属-氧化物-半导体，如Si/SiO₂/Al金属-氧化物-半导体。

所述三维电子气是指电子气中的电子在三个维度上都可以自由运动，三维电子气材料是体材料，如掺杂的体半导体材料，具体的指掺杂的硅体材料、掺杂的GaAs体材料、掺杂的GaN体材料、掺杂的锗体材料、掺杂的InGaAs体材料、掺杂的InP体材料、掺杂的SiC体材料、掺杂的金刚石体材料、掺杂的氧化锌体材料。

所述电子气台面是位于衬底上包含有电子气材料和势垒层的双层或多层结构的材料，一维电子气台面是位于衬底上包裹或覆盖有势垒层，或覆盖有双势垒材料，或覆盖有量子阱材料的纳米线材料，二维电子气台面是位于衬底上包裹或覆盖有势垒层，或覆盖有双势垒材料，或覆盖有量子阱材料的二维电子气材料，三维电子气台面是位于衬底上覆盖或包裹有势垒层，或一面或多面覆盖有不同自由电荷类型半导体材料，或覆盖有双势垒材料或覆盖有量子阱材料的体材料，三种台面的共性是提供产生等离子体波的电子气和注入隧穿电子的势垒层。

所述隧穿电子是指通过隧穿效应实现转移或输运的电子。由于电子的波动性，电子能够以一定的几率穿过势能高于电子本身能量的势垒区，该量子力学效应称为电子隧穿效应。电子能量越高、势垒越低以及势垒层越薄则隧穿几率越大。

所述势垒层是指相对于相邻电子材料中电荷态具有较高的能量状态的电子材料，相邻电子材料中的电荷需要获得足够的能量才能进入该材料区域，或该区域内的电荷会自发地通过能量的释放(弛豫)进入到相邻电子材料中的低能量状态。通常，势垒层由宽禁带的半导体材料构成，如高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极绝缘层、硅MOSFET的栅极氧化层、异质结半导体的界面、半导体超晶格中的宽禁带材料层。半导体材料与真空的界面处也存在势垒层。所述势垒层还可以是量子阱材料。

所述电子气沟道是指电子气台面内容纳自由电子和等离子体波的电子气材料，也是电子流动的通道。

所述的驻波条件是指形成不随时间变化的电磁场场强分布的特定空间尺寸及其边界条件。满足驻波条件时，特定频率电磁场振荡的波腹和波节位置不随时间变化，并且该空间范围的边界处的场强分布也不随时间变化。通常，该空间范围的某个维度的尺寸与该空间内电磁波的半波长或四分之一波长成整数倍。因此，驻波条件可通过限定空间尺寸和边界条件来实现，例如Fabry-Perot谐振腔的厚度决定最低的谐振腔频率，谐振腔表面镀有金属时该表面处为波节，谐振腔表面不镀金属时该表面处为波腹。

所述近场效应是指电磁场在金属或介质结构的邻域(通常为亚波长范围内)产生的场强增强现象。

所述反射镜可以是金属镀膜形成的金属或合金反射镜面，这里的金属可以是金、铝和银，或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜；也可以是由超导薄膜材料构成的超导反射镜面，这里的超导薄膜可以是NbN、Nb或YiBaCuO；还可以是由两种介电常数不同的介质材料交替叠合形成的分布式布拉格反射镜，所述的介质材料可以是无机介电材料或有机高分子介质材料，如高阻硅、蓝宝石、石英、玻璃、聚乙烯、聚四氟乙烯、TPX(Polymethylpentene)。

下面，针对以下示例性实施方式来说明本发明。

实施方式1

本实施方式提供一种太赫兹光源芯片(在本实施方式中也称为第一太赫兹光源芯片)、相应的光源器件和组件及其制造方法。图1为根据本实施方式的太赫兹光源芯片的原理示意图。图2为等离子体波的色散关系和太赫兹谐振腔腔模的色散关系图。图3A为本实施方式的太赫兹光源的结构俯视图，图3B为图3A的太赫兹光源芯片的剖面图和电流驱动示意图。

如图1所示，该太赫兹光源芯片包括：二维电子气台面1；形成在二维电子气台面1上的用于激发出等离子体波6的电极(未示出)；太赫兹谐振腔3，该太赫兹谐振腔形成在二维电子气台面1的下方，并且太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜4；以及金属耦合光栅2，该金属耦合光栅形成在二维电子气台面1表面，用于太赫兹谐振腔腔膜与二维电子气及其等离子体波模式的耦合，以产生太赫兹波发射。

太赫兹波谐振腔可以具有较高的品质因子，一般大于和远大于10，可达100以上，如10000甚至更高。而等离子体波的品质因子较低，大致10-100左右。因此，太赫兹波模式与等离子体波模式强耦合形成的等离极化激元能够提高等离子体波的品质因子，降低其损耗，这是实现高效的太赫兹光源器件的核心技术之一。

如图1所示，本发明是以高电子迁移率二维电子气5中的等离子体波为工作媒介。通过电流驱动二维电子气台面1中的二维电子气5，可以激发出特定模式的等离子体波6。进一步地，由金属光栅可实现等离子体波和太赫兹电磁波的高效耦合(在金属光栅边缘处有增强的太赫兹电场)，再由有限尺寸的太赫兹波谐振腔来实现太赫兹波腔模和等离子体波模式的强耦合，形成等离极化激元，从而获得从等离子体波到太赫兹辐射的高效转换。其中，谐振腔的模式体积要尽可能小，才能够实现更强的太赫兹波与等离子体波的耦合效率，从而提高等离子体波发射太赫兹波的效率。设目标发射频率为f₀，则谐振腔厚度D可取为：

$D=\frac{2k-1}{n}\frac{c}{4f_0},k=\mathrm{1,2,3},......,$

其中，n为谐振腔内介质的太赫兹波折射率，c为光速，k为整数。最小的谐振腔厚度为D_min＝c/4nf₀。主要由工艺难度决定是否采用最小的谐振腔体积。现有的实验结果已经验证了这一关系。

在本实施方式中，用于激发等离子体波的电极可以是形成在二维电子气台面1上、与二维电子气台面形成欧姆接触的源极和漏极，也可以是源极和漏极二者至少之一和栅极，该栅极可以由金属耦合光栅充当或者可以为与金属耦合光栅分开的单独的栅极(单独的栅极与光栅不相连)。图3A中示出的是以金属耦合光栅作为栅极的示例(此时，耦合光栅相当于多个栅极)，金属耦合光栅位于源极和漏极之间。

例如，可以通过以下两种方式中的一种来从二维电子气中激发出等离子体波，即将电能转换为二维电子气中的等离子体波能量。

(1)栅极G与二维电子气间的驱动电流，即栅极G与源极S之间的电流和/或栅极G与漏极D之间的电流，可以激发等离子体波。通过电子在栅极与二维电子气之间的输运来把电能转化为二维电子气中等离子体波能量。外加的直流栅极电压和太赫兹电场共同调制栅极与二维电子气之间的隧穿电流。如图3B所示，在栅极G上施加负电压V_G，可调控二维电子气浓度。同时，电子可从栅极隧穿至二维电子气，产生隧穿电流I_G。当然，也可以在栅极G上施加正电压。在栅极G上施加的电压是可调的。

图16和图17显示，当栅压为负时，激发的太赫兹波效率更高，而当栅压为正时，激发的太赫兹波效率相对较低。图17显示，在负栅压区域，当栅压逐渐变大时，其发射太赫兹发射功率和栅极电流逐渐变小；在正栅压区域，发射功率和效率均小于负栅压下的相应值。综上，说明栅极施加负电压时，会有更好的太赫兹发射效果，这是在先技术所没有揭示的。

(2)二维电子气沟道内源漏间的驱动电流。通过源漏电极间的外加电场提升电子的漂移速度，激发二维电子气中的等离子体波来把电能转化为二维电子气中等离子体波能量。如图3B所示，二维电子气台面两端的源极S和漏极D与二维电子气台面形成欧姆接触，通过在源极与漏极之间施加源漏电压V_DS在二维电子气台面内产生源-漏方向的驱动电流I_D和I_S。

图18显示栅极电流的激发效率远大于源漏极电流的激发效率。

本发明中，二维电子气台面可以由二维电子气材料来形成。

一般，对二维电子气材料的选择可以基于二维电子气的两个主要参数。一个参数是高电子迁移率，迁移率越高等离子体波的衰减越小，发射效率越高，最高工作温度也越高。室温迁移率达到20000cm²/Vs量级时有望实现室温下的太赫兹发射。室温迁移率为2000cm²/Vs量级时最高工作温度可接近200K。因此，迁移率是本发明中的重要参数，本发明实施例中优选地采用电子迁移率高的二维电子气材料。第二个参数是二维电子气浓度，浓度越高时可发射频率更高的太赫兹波。但在浓度较低时(如低于10¹¹cm^-2)，可以通过减小光栅栅极的长度(沿源漏方向的尺寸称为长度，垂直于源漏方向的尺寸称为宽度。宽度增加，发射功率可线性增加。)来提高发射频率，例如，可以将光栅栅极的长度控制为如小于1微米，在此，1微米仅为示例，本发明并不限于此。因此，浓度不是本发明要求的关键参数。在单独地设置与光栅分开的栅极的情况下，单独栅极的长度决定等离子体波模式，光栅的周期决定太赫兹波模式与等离子体波模式耦合的最佳频率。在实际器件中，可通过调节栅极电压来达到共振，即最佳、最强的耦合。

作为示例，二维电子气材料例如可为高电子迁移率的GaN/AlGaN异质结，其具有高电子浓度使太赫兹发射频率的调节范围宽，其还具有承载高电流能力，提高最高发射功率。另选地，二维电子气材料还可以采用其它室温高电子迁移率二维电子气材料，如GaAs/AlGaAs、Si/SiGe或InGaAs/AlGaAs等异质结，可实现室温工作的固态太赫兹光源。此外，二维电子气材料还可以选择石墨烯或MoS₂、InN等。以上列举的二维电子气材料仅为示例，本发明并不限于此。

二维电子气中等离子体波的色散关系如下：

$f_p=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{n_s{e}^2}{{2m}_{0}m*{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}}q}$

其中，f_p为等离子体波的频率(Hz)，n_s为二维电子气的电子浓度(m^-2)，ε₀＝8.854×10^-12F/m为真空介电常数，m*为二维电子气中电子有效质量，m₀＝9.11×10^-31kg为电子静止质量，e＝1.602×10^-19库仑，为电子电荷，q＝2π/λ_p为等离子体波的波数，λ_p为等离子体波的波长，ε为光栅耦合下二维电子气处有效介电常数。在光栅耦合的二维电子气中，可产生栅极下的局域等离子体波和扩展到多个光栅周期尺度内的二维等离子体波，具有特定的模式，即这两种情况下的等离子体波波数可分别表示为：

$q_m=m\frac{\mathrm{\π}}{W},m=\mathrm{1,2,3},......,$

$q_m=m\frac{2\mathrm{\π}}{L},m=\mathrm{1,2,3},......,$

其中，W为光栅栅极的长度，L为光栅栅极的周期。在单独设置一个栅极的情况下，只由栅极长度W决定模式。光栅周期L决定等离子体波模式能否在由W所定的频率下实现与谐振腔腔膜的强耦合，可通过栅极电压调节电子气浓度，达到等离子体波模式与谐振腔腔膜的共振。

当等离子体波频率与太赫兹谐振腔腔模频率相同，并且谐振腔模式在经光栅耦合的二维电子气处具有最强的太赫兹电场(如图7所示意)时，等离子体波模式与谐振腔腔模达到共振条件：

$f_p\left(m\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{n_s{e}^2}{{2m}_{0}m*{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}}{q}_m}\⇔f_0\left(k\right)=\frac{2k-1}{4}\frac{c}{\mathrm{nD}},m=\mathrm{1,2,3},.....,k=\mathrm{1,2,3},....$

如图2所示意，左侧的接近竖直的直线表示自由空间的太赫兹电磁波。平行于水平轴的水平虚线即为太赫兹谐振腔腔模C₁-C₈的频率f₀(k)，k＝1，2，3，...8，垂直于水平轴的竖直虚线对应的是由耦合光栅决定的栅极下局域等离子体波模式对应的波数(q_m＝mπ/W,m＝1,2,3,...6，也即对应于该局域等离子体波的频率)。水平虚线与竖直虚线交叉即为可获得的谐振腔腔模与等离子体波共振点。要达到共振，必须通过调节栅极电压使二维电子气浓度满足上述共振条件。图2中倾斜的加粗虚线曲线对应的是特定电子气浓度(n_s＝7.1×10¹²cm^-2)下的等离子体波色散关系，五角星号表示的是耦合光栅所支持的太赫兹波模式，而空心五角星表示的是能够与太赫兹波模式相耦合的等离子体波模式，例如，图2中，等离子体波模式q₃和太赫兹谐振腔腔模C₅能够实现共振。因此，本发明的太赫兹光源可通过调节栅极电压而达到发光的状态，并可在一定范围内调节发光频率。

本发明的光源芯片不仅可达到上述共振条件，而且达到了谐振腔腔模与等离子体波模式的强耦合。简单满足共振条件时，可以产生一定的从等离子体波到太赫兹波的转换并发射，但是效率低。主要原因是等离子体波的品质因子较低：

Q_p＝f_pτ□10，

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\μm}}_{0}m*}{e}.$

当达到本发明所述的谐振腔腔模与等离子体波模式强耦合条件时，可形成等离极化激元模式，即既是太赫兹腔模又是等离子体波模式。该极化子模式可用耦合谐振子模型描述：

${\mathrm{\ω}}_{\±}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_p}{2}-\frac{i}{2}({\mathrm{\γ}}_p+{\mathrm{\γ}}_c)\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_p}{2}\right)}^2+{V^2-\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_p-{\mathrm{\γ}}_c}{2}\right)}^2-\frac{i}{2}({\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_c)({\mathrm{\γ}}_p-{\mathrm{\γ}}_c)}$

其中ω_c＝2πf₀，ω_p＝2πf_p，γ_p＝2πτ^-1＝2πf_p/Q_p，γ_c＝2πf₀/Q_c，Q_c为谐振腔的品质因子，V为两者间的耦合强度。在两者耦合谐振时产生出一个高频和一个低频的极化子模式。图2中的实线曲线即为极化子模式。在谐振处，两者的频率差即为Rabi振荡频率：

${\mathrm{\Ω}}_R=\sqrt{{4V}^2-{({\mathrm{\γ}}_p-{\mathrm{\γ}}_c)}^2}$

耦合强度越大，两者间的频率差越大，频率的调节范围也越大。

因此，根据本发明实施方式，可利用太赫兹波腔模与等离子体波腔模耦合后形成的等离极化激元实现从等离子体波到太赫兹的高效转换。

在本发明实施方式中，由二维电子气材料形成的二维电子气台面下方的谐振腔可由支持二维电子气材料的绝缘衬底材料形成，并具有镜面平整度的表面。

对作为太赫兹谐振腔的衬底材料的选取依据是：对太赫兹波具有尽可能小的吸收，同时也需要满足高电子迁移率二维电子气材料生长的要求，换言之，要具有高的电子迁移率和低的太赫兹损耗。也就是说，选择合适的二维电子气衬底材料，使其既适合作为二维电子气衬底，又适合作太赫兹谐振腔。因此，两方面综合考虑。蓝宝石具有高电阻率，对太赫兹光吸收小，因此可作为谐振腔材料。可选的材料还有石英晶体、高阻单晶硅等。厚度由目标太赫兹发射频率来决定，一般可在10-300微米范围内调整。上述的蓝宝石、石英晶体和高阻单晶硅仅为示例，本发明中的谐振腔的材料并不限于这三种，只要是用于支撑二维电子气材料的衬底并具有低太赫兹吸收率和高透过率的材料均可以。

图14显示了不同谐振腔厚度产生不同的强耦合效果，当厚度较小时，等离激元和太赫兹谐振腔模式形成较明显的强耦合效果，当厚度较大时，强耦合效果减弱。

图15显示了太赫兹谐振腔在不同谐振腔厚度，不同光栅长度、不同栅极周期、不同栅极间隔引起的太赫兹发射频谱的不同。

二维电子气衬底材料的底面具有镜面平整度，并优选地具有200纳米以上的金属膜(如Au膜或Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜)或其它材料的全反射膜，作为全反射镜，以具有太赫兹光的高反射率，或用其它方式达到在背面具有全反射的目的。

背面全反射镜是提高太赫兹谐振腔品质因子的关键之一。如果没有该全反射镜，谐振腔内的太赫兹波可通过底面漏出，同时谐振腔的模式将不符合前述的模式：

$f_0=\frac{2k-1}{n}\frac{c}{4D},k=\mathrm{1,2,3},......$

而成为 $f_0=\frac{k}{n}\frac{c}{2D},k=\mathrm{1,2,3},......$

底面的全反射膜可使谐振腔内底面处的太赫兹电场强度为零。相反，在没有金属全反射膜的情况下，该处电场趋于极大，出现太赫兹电场向外泄漏的问题。

二维电子气与二维电子气台面表面的距离优选地在20-50纳米的范围内，但本发明并不限于此。在保证高电子迁移率二维电子气材料生长工艺允许的前提下，二维电子气与二维电子气台面表面的距离越小光栅对太赫兹波模式与等离子体波模式耦合增强作用越好。

本发明中，不仅可以通过栅极电压调节电子气浓度和通过调节光栅栅极的长度来控制太赫兹光的发射频率，还可以通过调节太赫兹谐振腔腔长来控制太赫兹光的发射频率。

如图1、图3A和图3B中所示出的光栅-谐振腔结构是本发明中太赫兹光源的核心结构。太赫兹谐振腔的模式在光栅耦合的二维电子气处具有强电场。光栅耦合器使太赫兹谐振腔腔模与二维电子气内等离子体波模式进行有效耦合，在光栅栅极边缘产生增强的太赫兹电场。在栅极电压的调控区域，即栅极下方的二维电子气区域，产生等离子体波。由于等离子体波与太赫兹谐振腔模式的强耦合，在光栅-谐振腔耦合的二维电子气系统内形成等离极化激元，从而实现了从等离子体波到太赫兹的高效转换。从外加的电能到等离子体波能量的转换可采用源漏电流激发的方式或栅极到二维电子气的隧穿电流的激发方式。

本发明中，通过微弱的能量注入就可以激发等离子体波，即具有零激发能量。采用等离极化激元的电学激发产生太赫兹波发射，避免了单个电子的激发，提高了注入能量到太赫兹波的转换效率。

由于等离子体波模式与太赫兹波模式处于强耦合状态，本实施方式的太赫兹光源芯片至少具有如下优点：

(1)等离极化激元的寿命可通过增强太赫兹谐振腔的品质因子而提高；(2)从等离子体波到太赫兹波辐射的转换效率高；(3)注入电流到等离子体波的转换效率高；(4)通过太赫兹谐振腔能够有效调控太赫兹波发射频率；以及(5)通过二维电子气浓度能够有效调控太赫兹波发射频率。

如上描述的第一太赫兹光源芯片可以通过引线键合技术封装在芯片座和/或印刷电路板(PCB)上，从而形成太赫兹光源器件。为了进一步有效收集由谐振腔内出射的太赫兹光，可以将经封装的光源器件集成在一个高电导率无氧铜波导内，而形成太赫兹光源组件，如图11所示。在图11中，附图标记110表示无氧铜架，光源芯片120封装于芯片座140，并进一步与PCB 150集成在一起，形成的光源器件最终集成于波导中的空腔130。

下面将描述如上所述的太赫兹光源芯片、光源器件和光源组件的制造方法。

图4示出了本实施方式1中制造太赫兹光源芯片(第一太赫兹光源芯片)的大致流程，图5示出了本实施方式1中制造太赫兹光源组件的工艺流程示例。如图4所示，并参照图5，该方法具体包括如下步骤：

S410，形成二维电子气台面。

首先，清洗带有衬底材料的二维电子气基片。二维电子气基片的背面是衬底材料，正面是二维电子气材料，二维电子气材料可由金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等技术在衬底材料上实现，具有原子级平整度。

然后，采用紫外(UV)曝光技术将二维电子气台面的图形转移到基片上。并采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀或离子束刻蚀工艺或湿法化学腐蚀工艺刻蚀二维电子气材料，形成二维电子气台面结构。

S420，在二维电子气台面上形成用于从二维电子气中激发出等离子体波的电极和金属耦合光栅。

用于激发等离子体波的电极可以是形成在二维电子气台面1上、与二维电子气台面形成欧姆接触的源极和漏极，也可以是源极和漏极二者至少之一和栅极，该栅极可以由金属耦合光栅充当或者可以为与金属耦合光栅分开的单独的栅极。下面描述的是将金属耦合光栅作为栅极的情况下的示例性流程。在单独地形成栅极的情况下，可以采用与形成光栅栅极类似的工艺在二维电子气台面上分别形成分开的金属耦合光栅和栅极。

首先，可以在二维电子气台面上形成与二维电子气台面欧姆接触的源极和漏极，源、漏电极可由传统的欧姆接触工艺实现，接触电阻越小越好，无特殊要求。例如，具体地，可采用紫外曝光技术在二维电子气台面上形成欧姆接触图形。采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射等工艺，蒸镀用于形成欧姆接触的多层金属结构，金属剥离后形成欧姆接触金属图形。对于AlGaN/GaN二维电子气材料，多层金属结构例如可采用Ti/Al/Ni/Au。对于AlGaAs/GaAs二维电子气材料，多层金属结构例如可采用AuGe/Ni/AuGe，在此，多层金属结构的材料仅为示例。然后，经快速退火形成欧姆接触。可采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射工艺，蒸镀Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au，剥离后形成欧姆接触上的金属电极(源极和漏极)结构，其中Au为光栅、栅极的主体材料，厚度在50纳米以上，Ti、Ni、Cr、NiCr层为Au层与二维电子气台面或电极所在之上的基底之间的黏附层，厚度一般在50纳米以下。

接着，在二维电子气台面上形成作为栅极的金属耦合光栅。例如，具体地，可采用紫外曝光工艺或电子束曝光工艺或激光干涉曝光工艺等类似工艺在二维电子气台面上形成光栅图形。采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射工艺蒸镀具有高导电率的金属(通常为金或含有金的合金，如Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au等)，形成金属光栅结构。

在形成了光栅和栅极之后，接着形成相应的引线电极。例如，可采用紫外曝光技术实现太赫兹光栅栅极的引线电极、源极和漏极的引线电极的图形转移，即将图形转移到二维电子器台面上。接着采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射工艺，蒸镀Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au等，剥离后形成栅极、欧姆接触的引线电极。

步骤S430，对二维电子气衬底进行减薄、抛光处理，形成太赫兹谐振腔。

对二维电子气衬底进行减薄和抛光处理，以使得二维电子气衬底达到设计要求的厚度，并且其背面具有镜面平整度。优选地，可以在二维电子气衬底的底面蒸度一层金膜或其他金属(包括合金)膜，以具有太赫兹光的高反射率，作为背面全反射镜。例如，可采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射等工艺，在二维电子气芯片背面蒸镀金属膜(如Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au)，形成太赫兹全反射镜面。全反射镜的反射率越高越好，达到的全反射效果越佳。

如上就形成了具有高的转换效率的太赫兹光源芯片。

另选地，在形成二维电子气台面的步骤中，也可以是通过先将二维电子气材料转移到太赫兹谐振腔表面上，然后在谐振腔表面上形成二维电子气台面。

如果基于大块的二维电子气衬底批量形成了多个太赫兹光源芯片，则本方法还包括将多个太赫兹光源芯片分割成各独立的太赫兹光源芯片。例如，可以采用激光解离工艺或激光切割工艺或手工解离工艺来将多个太赫兹光源芯片分割成各独立的太赫兹光源芯片。

进一步地，可将各独立的太赫兹光源芯片通过引线键合封装在芯片座和/或PCB上，从而封装成太赫兹光源器件。进一步地，为了更有效地收集由谐振腔内出射的太赫兹光，可以将经封装的光源器件集成在一个高电导率无氧铜波导内，而形成太赫兹光源组件，如图11所示。

如上描述的步骤中的具体工艺流程仅为示例，本发明并不限于此。由于每一个步骤可能包括多个工序，不同步骤的各个工序有可能穿插进行，而非按照上面描述的顺序进行。本领域技术人员根据本申请的描述可以在制备出本申请所请求保护的结构的前提下，对形成各元件的工艺和顺序进行各种变型和变化，这些变型和变化都应包含在本发明的保护范围内。

实施方式2

本实施方式在实施方式1的基础上进一步作出了改进，提供了另一种芯片(在本实施方式中也称为第二太赫兹光源芯片)、相应的光源器件和组件及其制造方法，以减少太赫兹光的逃逸损失，从而进一步提高太赫兹谐振腔的品质因子，增强谐振腔腔模和等离子体波模式的耦合强度，提高转换效率。

图6为本实施方式中太赫兹光源芯片的结构示意图。图7为示出了在光栅-谐振腔耦合下产生的等离子体波模式和太赫兹谐振腔模的一种形式。

如图6所示，本实施方式的太赫兹光源芯片包括：二维电子气台面1；形成在二维电子气台面上的用于激发等离子体波的电极(如源极S和漏极D；源极和栅极；漏极和栅极；或者源极、漏极和栅极三者)；形成在二维电子气台面下方的、作为二维电子气衬底的太赫兹谐振腔3；形成在二维电子气台面上方的金属耦合光栅2，用于太赫兹谐振腔腔膜与二维电子气及其等离子体波模式的耦合。这些结构与实施方式1中的光源芯片的结构是相同的，在本实施方式中不再赘述。此外，本实施方式2中太赫兹光源芯片还包括：形成在金属耦合光栅上方的介质谐振腔平板7；以及形成在介质谐振腔平板上方的半透射或高反的反射镜8，作为太赫兹光辐射9的出射面。也就是说，本实施方式中的第二太赫兹光源芯片除了包括实施方式1中的第一太赫兹光源芯片的结构外，还包括了介质谐振腔平板7和部分透射的反射镜(如高反射镜)8。

本实施方式中，介质谐振腔平板的材质与二维电子气芯片的衬底材料相同或相近(具有相当的介电常数或太赫兹光折射率)，厚度相同或接近。介质谐振腔平板的上下表面具有镜面平整度。上表面可镀有半透或高反射的金属膜，是太赫兹光辐射出射面。第一太赫兹光源芯片和介质谐振腔平板可通过倒装焊工艺精密集成，两者表面相互平行，形成具有高品质因子的太赫兹法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔3’。如图7所示，利用法布里谐振腔可以形成有限数量的太赫兹谐振模式，即驻波模式，该驻波模式在二维电子气处形成波腹，如图中产生的太赫兹电场强度包络11。再通过二维电子气表面的金属光栅2产生近场增强，使太赫兹波谐振模式与二维电子气内的等离子体波6产生共振，形成等离极化激元，从而产生太赫兹辐射9。

作为另选实施方式，图6中介质谐振腔平板7和高反射镜8的位置可以互换，只不过，此时，要相应调整光栅与高反射镜之间的间距，使高反射镜与底面全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使该驻波在二维电子气处形成波腹。

介质谐振腔平板7和高反射镜8可采用球面结构或椭球面结构。另，还可在图6结构的基础上将高反射镜8和全反射镜4替换为非球面反射镜，构成稳定性更好的太赫兹谐振腔。也可以将高反射镜8和全反射镜为非对称的反射镜，构成非稳定太赫兹谐振腔，可以用于大功率太赫兹光源。

如图7所示，太赫兹谐振腔的模式在光栅耦合的二维电子气处具有强电场10。光栅耦合器使太赫兹谐振腔腔模与二维电子气进行有效耦合，在光栅栅极边缘产生增强的太赫兹电场，在光栅栅极电压的调控区域，即光栅电极下方的二维电子气区域，产生等离子体波。由于等离子体波与太赫兹谐振腔模式的强耦合，在光栅谐振腔耦合的二维电子气系统内形成等离极化激元。

源漏电流或栅-沟道电流驱动激发等离极化激元，太赫兹波通过谐振腔平板上表面的高反射镜面向谐振腔外发射。

如上描述的第二太赫兹光源芯片可以通过引线键合技术封装在芯片座或印刷电路板(PCB)上，从而形成太赫兹光源器件。为了进一步有效收集由谐振腔内出射的太赫兹光，可以将经封装的光源器件集成在一个高电导率无氧铜波导内，而形成太赫兹光源组件，如图11所示。

根据本实施方式的第二太赫兹光源芯片，不仅具有实施方式1中的第一光源芯片所具有的优点，并且，相比于实施方式1，由于太赫兹谐振腔的品质因子大幅度提高，所以进一步提高了太赫兹谐振腔腔模与等离子体波模式的耦合强度，有效增强的转换效率，同时降低了发射谱线的宽度，增强了太赫兹光的单色性和相干特性。

另选地，可以将图6和图7中太赫兹光源芯片中的全反射镜4以部分透射的反射镜(如半透镜或高反射镜)代替，而将部分透射的反射镜8由全反射镜代替。此时，产生的太赫兹波辐射将从谐振腔3底部出射，而非从谐振腔平板7上方出射。

图8示出了由栅压和源漏电压调控的反射光谱。由图8可以看出，在同样的栅极负压(-0.8V)的情况下，源漏间电压越高，反射光谱的反射频率越高。

在本发明实施方式中，法布里-珀罗谐振腔仅为示例，还可以采用非平面的谐振腔，如共焦太赫兹谐振腔等。

下面，描述制造根据本实施方式的太赫兹光源芯片、光源器件和光源组件的方法。图9为制造本实施方式2的第二太赫兹光源芯片的简要流程图，图10示出了本实施方式2中制造太赫兹光源组件的工艺流程示例。如图9所示，并参照图10，该方法包括以下步骤：

步骤S910-S930，制造第一太赫兹光源芯片。步骤S910-S930与图4中的步骤S410-S430相同，因此不再赘述。

步骤S940，在第一光源芯片上形成谐振腔平板。

该步骤具体可包括：清洗谐振腔平板材料，谐振腔平板材料例如可为蓝宝石片、高阻硅片或石英片，但并不限于此。可采用化学机械抛光工艺，对谐振腔平板材料进行减薄并双面抛光，获得预定的谐振腔厚度和镜面平整度。

步骤S940，在谐振腔平板上表面或下表面形成部分透射的反射镜，例如，该反射镜可以为半透反射镜或高反射镜。

例如，可采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射工艺，在谐振腔平板材料正面蒸镀Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au或NiCr/Au膜，通过控制膜的厚度形成部分透射的反射镜面。另选地，可以在谐振腔平板的背面形成部分透射的反射镜面。只不过，此时，要相应调整光栅与高反射镜之间的间距，使高反射镜与底面全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使该驻波在二维电子气处形成波腹。

本发明实施方式中，可采用倒装焊技术或金-金键合技术，将第一太赫兹光源芯片与谐振腔平板对准集成为一体化本实施方式中的第二太赫兹光源芯片。为了实现第一光源芯片与介质谐振腔平板的集成，在形成谐振腔平板和反射镜后，还执行以下操作：

采用紫外曝光技术，在谐振腔平板材料背面实现晶片键合区的的图形转移，即将晶片键合区的的图形转移到谐振腔平板材料背面。

接着，采用电子束蒸发或热蒸发或磁控溅射工艺，在谐振腔平板材料背面蒸镀Ti/Au或Ni/Au或Cr/Au或NiCr/Au，形成用于晶片键合的金属区域。

如果形成的是大块的谐振腔平板，则在将二维电子气芯片与谐振腔平板集成之前，可采用激光解离工艺或激光切割工艺或手工解离工艺，将谐振腔平板材料分割成各独立的谐振腔平板。

在以上方法中，还可以以部分透射的反射镜(如半透镜或高反射镜)代替全反射镜4，而全反射镜代替部分透射的反射镜8。此时，产生的太赫兹波辐射将从谐振腔3底部出射，而非从谐振腔平板7上方出射。

除了将谐振腔平板与第一太赫兹光源芯片固定地集成在一起(即太赫兹谐振腔腔长固定)，还可以将本实施方式中的太赫兹光源芯片设置成使得谐振腔平板与第一太赫兹光源芯片之间的距离可微调，以调节太赫兹谐振腔3’的腔长，从而能够灵活地控制太赫兹光的发射频率。图12示意了根据一个实施方式的具有谐振腔腔长调节装置的太赫兹光源器件的剖面示意图。该谐振腔腔长调节装置采用弹簧加螺纹副来调节谐振腔3与谐振腔平板7之间的距离，从而调整太赫兹谐振腔3’的腔长。图12中，该谐振腔腔长调节装置通过移动第一太赫兹光源芯片的位置来调节腔长。该谐振腔腔长调节装置包括：框架，该框架包括底板13a、侧壁13b、13c和顶板13d；芯片基座14，其设置在前述第一太赫兹光源芯片结构的下方、并与第一太赫兹光源芯片固定在一起(或者是与谐振腔3固定在一起)；设置在芯片基座14和框架的底板13a之间的两根弹簧15，该弹簧15的两端分别固定在基座14和底板13a上；以及设置在底板13a上的距离调节部件(如螺纹副)16。谐振腔平板7嵌入在顶板中间的开口中。设置在底板13a上的螺纹副16能够穿过底板13a借助于芯片基座14和底板13a之间弹簧15的作用力(如拉伸力)作用于芯片基座14(抵靠芯片基座)，并能够通过旋动螺纹副上下移动螺纹副来调节底板13a与芯片基座14之间的距离，也即调节谐振腔与谐振腔平板之间的距离，从而能够调节谐振腔腔长。

图13示意了根据另一实施方式的具有谐振腔腔长调节装置的太赫兹光源器件的剖面示意图。在该实施方式中，谐振腔腔长调节装置通过移动谐振腔平板的位置来调节腔长。该谐振腔腔长调节装置包括：框架，该框架包括顶板13a′、侧壁13b′、13c′和底板13d′；谐振腔平板基座14′，其设置在谐振腔平板7上方、并与谐振腔平板7固定在一起；设置在谐振腔平板基座14′和框架的顶板13a′之间的两根弹簧15′，该弹簧15′的两端分别固定在基座14′和顶板13a′上；以及设置在顶板13a′上的距离调节部件(如螺纹副)16′。谐振腔3嵌入在底板13d′中间的开口中。设置在顶板13a′上的螺纹副16′能够穿过顶板13a′借助于谐振腔平板基座14′和顶板13a′之间弹簧15′的拉伸作用力作用于谐振腔平板基座14′(抵靠谐振腔平板基座14′)，并能够通过旋动螺纹副16′上下移动螺纹副16′来调节顶板13a′与谐振腔平板基座14′之间的距离，也即调节谐振腔3与谐振腔平板7之间的距离，从而能够调节谐振腔腔长。在本实施方式中，由于谐振腔平板基座14′设置在谐振腔平板7上方，影响太赫兹光辐射9的出射，因此，本实施方式的太赫兹光源器件可被设置为从谐振腔下方出射太赫兹光辐射9。此时，谐振腔3下方的全反射镜变为半透镜或高反射镜，谐振腔平板7上表面或下表面的半透镜改为全反射镜。

以上通过弹簧和螺纹副来调节谐振腔腔长的结构仅为示例，本领域技术人员根据本文的描述容易想到其他的等同替代方式或变型。

如上描述的第二太赫兹光源芯片可以通过引线键合技术封装在芯片座或PCB上，从而形成太赫兹光源器件。为了进一步有效收集由谐振腔内出射的太赫兹光，可以将经封装的光源器件集成在一个高电导率无氧铜波导内，而形成太赫兹光源组件，如图11所示。

Claims (52)

1.一种太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片包括：

电子气台面；

形成在电子气台面上的电极；

形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及

光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。

2.根据权利要求1所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片还包括：谐振腔平板，设置在所述光栅上方。

3.根据权利要求2所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，

太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有部分透射的反射镜；或

太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

4.根据权利要求3所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

5.根据权利要求1所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片包括：电子气台面；

形成在电子气台面上的电极；

形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及

光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。

其中，所述电极包括：与所述电子气台面形成欧姆接触的源极和漏极，以及栅极；

其中，所述光栅作为所述栅极或者所述栅极单独地形成。

6.根据权利要求5所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述源极和漏极之间被施加有电压，以在源极和漏极间产生电子气的驱动电流，从而在电子气中激发出等离子体波。

7.根据权利要求6所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述源极和漏极之间施加的电压可调。

8.根据权利要求5所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述栅极和电子气台面间存在电势差，且栅极的电势低于电子气的电势，以在所述栅极和电子气之间产生隧穿电流，从而在电子气中激发出等离子体波。

9.根据权利要求8所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述电势差可调。

10.根据权利要求1所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述电子气台面由电子气材料形成。

11.根据权利要求10所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：

所述电子气材料为以下中的一种或几种：GaN/AlGaN、InAlN/GaN、GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、Si/SiGe、InN、Si/SiO₂、石墨烯和MoS₂、金刚石、单层、双层、三层的石墨烯、Si/SiO₂/Al金属-氧化物-半导体、硅纳米线、GaAs纳米线、InGaAs纳米线、GaN纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线，掺杂的硅体材料、掺杂的GaAs体材料、掺杂的GaN体材料、掺杂的锗体材料、掺杂的InGaAs体材料、掺杂的InP体材料、掺杂的SiC体材料、掺杂的金刚石体材料、掺杂的氧化锌体材料。

12.根据权利要求1所述的太赫兹光源芯片，其特征在于：所述太赫兹谐振腔为平板谐振腔或曲面谐振腔。

13.根据权利要求1所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片包括：

电子气台面；

形成在电子气台面上的电极；

形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜；以及

光栅，该光栅形成在所述电子气台面上。

其中，太赫兹谐振腔的厚度小于1000微米。

14.根据权利要求3所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述全反射镜和部分透射的反射镜具有以下结构中的一种：球面结构、椭球面结构、非球面结构、非对称结构。

15.根据权利要求3所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片还包括：调节装置，其用于调节所述谐振腔与谐振腔平板之间的距离。

16.根据权利要求15所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述调节装置包括：

框架，该框架包括底板、侧壁和顶板；

基座，其设置在所述谐振腔下方、并与所述谐振腔固定在一起；

设置在基座和框架的底板之间的至少一根弹簧，该弹簧的两端分别固定在基座和底板上；以及

设置在底板上的距离调节部件；

其中，所述谐振腔平板嵌入在所述顶板中间的开口中，设置在底板上的距离调节部件能够穿过底板借助于基座和底板之间弹簧的拉伸力作用于基座，从而能够通过上下移动距离调节部件来调节所述谐振腔与谐振腔平板之间的距离。

17.根据权利要求16所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述距离调节部件为螺纹副。

18.一种太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片包括：

电子气台面；形成在电子气台面上的电极；

形成在所述电子气台面下方的太赫兹谐振腔，该太赫兹谐振腔的底面设置部分透射的反射镜；

光栅，该光栅形成在所述电子气台面上；

谐振腔平板，设置在所述光栅上方；以及

形成在所述谐振腔平板的上表面或下表面的全反射镜。

19.根据权利要求20所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述太赫兹光源芯片还包括：调节装置，其用于调节所述谐振腔与谐振腔平板之间的距离。

20.根据权利要求19所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述调节装置包括：

框架，该框架包括底板、侧壁和顶板；

基座，其设置在所述谐振腔平板上方、并与所述谐振腔平板固定在一起；

设置在基座和框架的顶板之间的至少一根弹簧，该弹簧的两端分别固定在基座和顶板上；以及

设置在顶板上的距离调节部件；

其中，所述谐振腔嵌入在所述底板中间的开口中，设置在顶板上的距离调节部件能够穿过底板借助于基座和顶板之间弹簧的拉伸力作用于所述基座，从而能够通过上下移动距离调节部件来调节所述谐振腔平板与谐振腔之间的距离。

21.根据权利要求20所述的太赫兹光源芯片，其特征在于，所述距离调节部件为螺纹副。

22.一种太赫兹光源器件，其特征在于，所述太赫兹光源器件包括如权利要求1-21所述的太赫兹光源芯片，该太赫兹光源芯片封装在芯片座或印刷电路板上。

23.一种太赫兹光源组件，其特征在于，所述太赫兹光源组件包括如权利要求22所述的太赫兹光源器件，所述太赫兹光源器件集成在波导中。

24.一种太赫兹光源芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在电子气衬底上形成电子气台面；

在所述电子气台面上形成激发等离子体波的电极和光栅；以及

基于所述电子气衬底生成太赫兹谐振腔，其中，生成太赫兹谐振腔的步骤包括：

从所述电子气衬底的背面进行衬底的减薄和抛光处理，获得预定的谐振腔厚度和镜面平整度；以及

在经过减薄抛光的电子气衬底背面形成全反射镜或部分透射的反射镜。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将一谐振腔平板平行地集成在所述光栅上方，其中，太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有部分透射的反射镜，或太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

27.一种形成太赫兹光源芯片的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将电子气材料转移到太赫兹谐振腔的上表面，其中所述太赫兹谐振腔的下表面具有全反射镜面或部分透射的反射镜；

在所述太赫兹谐振腔的上表面形成电子气台面；以及

在所述电子气台面上形成激发等离子体波的电极和光栅。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将一谐振腔平板平行地集成在所述金属耦合光栅上方，其中，太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有部分透射的反射镜，或太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

30.一种太赫兹光源芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在二维电子气衬底上形成二维电子气台面；

在所述二维电子气台面上形成激发等离子体波的电极和金属耦合光栅；以及

基于所述二维电子气衬底生成太赫兹谐振腔，其中，生成太赫兹谐振腔的步骤包括：

从所述二维电子气衬底的背面进行衬底的减薄和抛光处理，获得预定的谐振腔厚度和镜面平整度；

在经过减薄抛光的二维电子气衬底背面形成部分透射的反射镜；以及

将一谐振腔平板集成在所述金属耦合光栅上方，其中，所述谐振腔平板的上表面或下表面形成有全反射镜。

31.一种制造太赫兹光源器件的方法，其特征在于，所述方法包括：将利用如权利要求24-30所述的方法制造的太赫兹光源芯片封装在芯片座或印刷电路板上，而形成所述太赫兹光源器件。

32.一种形成太赫兹光源组件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将利用如权利要求31所述的方法形成的太赫兹光源器件与太赫兹波导进行集成，从而形成太赫兹光源组件。

33.一种等离激元激发方法，其特征在于，向电子气中注入隧穿电子。

34.根据权利要求33所述的等离激元激发方法，其特征在于，通过施加在电极和电子气沟道之间的电势差来注入遂穿电子。

35.根据权利要求34所述的等离激元激发方法，其特征在于，所述电极为栅极。

36.一种等离激元激发装置，其特征在于，所述等离激元激发装置包括：

电极；

电子气沟道；以及

电极和电子气沟道之间的势垒层；

其中，电极和电子气沟道间存在电势差，且电极的电势低于电子气沟道的电势。

37.根据权利要求36所述的等离激元激发装置，其特征在于，所述电极为栅极。

38.根据权利要求36所述的等离激元激发装置，其特征在于，所述势垒层为半导体材料、真空层或量子阱材料。

39.根据权利要求36所述的等离激元激发装置，其特征在于，所述电势差由对电极施加负电压、正电压或零电压形成。

40.一种太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述太赫兹强耦合装置包括光栅和太赫兹谐振腔，所述光栅在所述太赫兹谐振腔上方。

41.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述太赫兹谐振腔的厚度小于1000微米。

42.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述光栅间距小于50微米。

43.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，电子气沟道与光栅间距应调节距离为1纳米-100纳米。

44.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述光栅长度小于50微米。

45.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述光栅周期小于10微米。

46.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述太赫兹谐振腔为平板谐振腔或曲面谐振腔。

47.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述太赫兹谐振腔的材料为蓝宝石、石英晶体、高阻单晶硅中的一种或几种。

48.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜或部分透射的反射镜。

49.根据权利要求40所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述的太赫兹强耦合装置还包括：谐振腔平板，设置在所述光栅上方，与太赫兹谐振腔分别处于光栅两侧。

50.根据权利要求49所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，

太赫兹谐振腔的底面设置有全反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有部分透射的反射镜；或

太赫兹谐振腔的底面设置有部分透射的反射镜，所述谐振腔平板的上表面或下表面上形成有全反射镜。

51.根据权利要求50所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述部分透射的反射镜与所述全反射镜之间的距离满足驻波条件并且使所述驻波在电子气处形成波腹。

52.如权利要求50所述的太赫兹强耦合装置，其特征在于，所述全反射镜和部分透射的反射镜面具有以下结构中的一种：球面结构、椭球面结构、非球面结构、非对称结构。