CN106094262B - 一种电控太赫兹幅度调制器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电控太赫兹幅度调制器，由半绝缘砷化镓(SI‑GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；电磁谐振单元阵列为周期性T形电磁谐振单元阵列，T形电磁谐振单元具有轴对称结构，阵列周期为100μm。本发明利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，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和可集成性。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体涉及一种电控太赫兹幅度调制器及其制造方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在1011Hz-1013Hz，对应波长为亚毫米波段的电磁波，位于传统微波波段的高频极限(R.A.Tredicucci,F.Beltram et al.,"High-performance continuous-wave operation of superlattice terahertz quantum-cascade lasers",Nature,2002,417:156；K.Kawase,Y.Ogawa,Y.Watanabe,"Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints",Opt.Express,2003,11:2549；K.L.Wang,D.Mittleman,"Meta wires for terahertz waveguiding",Nature,2004,432:376；P.H.Siegel,"Terahertz technology in biology andmedicine",IEEE Trans.Micro.Theory and Tech.,2004,52:2438；Y.C.Shen,T.Lo,P.F.Taday,et al.,"Detection and identification of explosives using terahertzpulsed spectroscopic imaging",Appl.Phys.Lett.,2005,86:241116；李宁,沈京玲,贾燕,张存林,―阿莫西林的太赫兹光谱研究,光谱学与光谱分析,2007,29(9):1692)。根据微波通讯理论，这一频段的电磁波带宽大且不易探测，对应的通信传输速率可以达到1～10Gb/s等优点。因此，THz技术对未来卫星间通讯、高海拔地区通讯等具有战略意义。德国和日本科学家分别在2004年和2006年，先后成功完成了实验室阶段的THz通信的实验(T.K.Ostmann,K.Pierz,G.Hein,et al.,"Audio signal transmission over THzcommunication channel using semiconductor modulator",Electron.Lett.,2004,40(2):124；T.Nagatsuma,"Exploring sub-terahertz waves for future wirelesscommunications",31th IRMMW-THz Conference2006,Shanghai,2006,PL-4:4)。在这一实验的核心技术之一就是如何在传输过程中对THz信号进行调制。为此，世界发达国家竞相开展对THz波进行调制的研究工作。早在2000年，美国科学家率先在GaAs/AlGaAs异质结上制备THz波相位调制器，但其调制速率低，并且10K下的液氦致冷条件下运行(R.Kersting,G.Strasser,K.Unterrainer,"Terahertz phase modulator",Electron.Lett.,36,1156(2000))。2004年，德国的T.K.Ostmanna(T.K.Ostmann,P.Dawson,K.Pierz,et al.,"Roomtemperature operation of an electrically driven terahertz modulator",Appl.Phys.Lett.,2004,84:3555)等人研制了在室温下工作的THz波调制器，但其最大调制深度不到5％。2006年美国Los Alamos国家实验室H.T.Chen等人(H.T.Chen,W.J.Padilla,J.M.O.Zide,et al.,"Active terahertz metamaterialsdevices",Nature,2006,444:597)提出的超材料(Metamaterial)的THz波调制器，获得50％调制深度，但是受到自身电容结构的影响，最大调制速率限制在KHz/s。2007年中国计量学院李九生提出了光子晶体THz波调制结构(Li Jiusheng,"Terahertz modulator using photonic crystals",Opt.Commun.,2007,269:98[13]L.Fekete,F.Kadlec,"Fast one-dimentional photoniccrystal modulator for the terahertz range",Opt Express.2007,15(14):8898)，理论分析表明该调制器调制速率为10KHz/s左右。同年捷克Fekete等人采用光控一维光子晶体实现了THz波调制器，但调制深度很低。
如何获得能够在室温下运行，实现高速、大深度调制的THz波调制器，成为解决THz波通信系统发展的关键技术难题。本发明针对传统THz调制器的局限性，提出了在光电导THz发射器的背面制作特定频率谐振的周期性人工电磁谐振单元，从而实现对THz幅度的电控调制器件。
发明内容
本发明瞄准当前太赫兹技术在生物医学和化学品检测领域的应用需求，提供了一种电控太赫兹幅度调制器及其制造方法。
本发明的第一目的在于提供一种电控太赫兹幅度调制器，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成；
所述半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm；
所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；
所述电磁谐振单元阵列为周期性T形电磁谐振单元阵列，所述T形电磁谐振单元具有轴对称结构，阵列周期为100μm；
所述太赫兹光电导天线和周期性T形电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。
进一步的，所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm；所述T形电极的内电极的长度为2.975mm，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25√2*45°的倒角。
进一步的，所述两个T形电极内电极末端处的中心对顶角角度90°。
进一步的，每个T形电磁谐振单元形成在100μm×100μm的矩形区域上，每个T形电磁谐振单元的横轴长36μm、宽6μm；每个T形电磁谐振单元的纵轴长30μm、宽6μm；纵轴的中心线与100μm×100μm矩形区域的中心线重合。
进一步的，所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10mm×10mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同，其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的100μm×100μm的矩形区域，每个100μm×100μm的矩形区域上形成有一个T形电磁谐振单元。
本发明的第二目的在于提供上述电控太赫兹幅度调制器的制造方法，包括如下步骤：
第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；
第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；
第四步：将光掩膜版T形阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；
第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；先蒸发太赫兹光电导天线的金属层，再蒸发周期性T形电磁谐振单元阵列的金属层；
第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)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，从而获得电控太赫兹幅度调制器。
进一步的，在第一步中，将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz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。
进一步的，在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，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。
进一步的，在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
进一步的，在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版T形阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。
进一步的，第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底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- 4mbar，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到5nm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到120nm为止，以0.5nm/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。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：
本发明提出的电控太赫兹幅度调制器为一种全新混合型器件。通过采用标准半导体微加工工艺，通过将太赫兹光导天线和周期性电磁谐振单元阵列两个功能不同的分立器件集成在同一块半绝缘砷化镓(SI-GaAs)基片上，如同一枚正反面印制不同图案的硬币，通过将太赫兹光导天线与周期性金属谐振单元的距离缩短到3THz波长的范围内，利用近场增强效应，对0.5THz中心频率的谐振实现增强，通过改变光电导天线的电压，就可以改变THz波的激发强度，从而实现对0.50.5THz中心频率电控幅度调制作用。
本发明利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，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和可集成性。
附图说明
图1为本发明的电控太赫兹幅度调制器中位于SI-GaAs正面的光电导天线的表面结构图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的电控太赫兹幅度调制器中位于SI-GaAs背面的一个T形谐振结构顶视图；其中，黑色部分为金属T形，空白部分为SI-GaAs衬底；a为整体图，b为a图中B处的局部放大图；
图4为本发明的电控太赫兹幅度调制器的横截面示意图；
图5为本发明的电控太赫兹幅度调制器的透射频谱图；
图6为本发明的电控太赫兹幅度调制器的最大透射强度随偏置电压从5V变化到80V的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明是如何实现的做进一步详细、清楚、完整地说明。
如图1-4所示，本发明的一种电控太赫兹幅度调制器，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成。
半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm。
太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm。
电磁谐振单元阵列为周期性T形电磁谐振单元阵列，所述T形电磁谐振单元具有轴对称结构，阵列周期为100μm；太赫兹光电导天线和周期性T形电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。
其中，T形电极的外电极长10mm、宽2mm；所述T形电极的内电极的长度为2.975mm，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25√2*45°的倒角。两个T形电极内电极末端处的中心对顶角角度90°。
每个T形电磁谐振单元形成在100μm×100μm的矩形区域上，每个T形电磁谐振单元的横轴长36μm、宽6μm；每个T形电磁谐振单元的纵轴长30μm、宽6μm；纵轴的中心线与100μm×100μm矩形区域的中心线重合。
太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10mm×10mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同，其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的100μm×100μm的矩形区域，每个100μm×100μm的矩形区域上形成有一个T形电磁谐振单元。
本发明的上述电控太赫兹幅度调制器的制造方法如下：
第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz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：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，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：涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
第四步：将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版T形阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。
第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底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10-4mbar，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到5nm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到120nm为止，以0.5nm/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。先蒸发太赫兹光电导天线的金属层，再蒸发周期性T形电磁谐振单元阵列的金属层。
第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)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，从而获得电控太赫兹幅度调制器。
其中，太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列的金属层中，5nm厚钛金属做粘结层，120nm厚金能够与SI-GaAs形成欧姆接触。该金属层厚度超过THz电磁波的趋肤深度，无需在蒸镀后进行退火处理。
本发明制备的产品的特性，如图5和图6所示，是通过以下设备进行性能表征后获得的。该设备采用中国科学院赵红卫课题组自建的太赫兹时域光谱系统(在期刊论文Chemical Physics Letters 392(2004)348和Journal of Biological Physics，32(2006)403中有描述)测量本发明的THz透射频谱。该系统包括：Spectra-Physics Mai Tai SP型高能量超短脉冲激光，2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2mm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。
采用上述谐振单元的用于氮离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的性能体现在图5和图6中：其透射特性在0.1THz～3.0THz的测试频率范围内进行，发现其中心谐振频率位于0.5THz。图5中的数据显示(数据是归一化后的透过率)，该器件在0.5THz处其透过率曲线的半宽全高值(Full Maximum Half Width:FMHW)被压缩到0.01THz。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种电控太赫兹幅度调制器，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，其特征在于：
所述半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm；
所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm；所述T形电极的内电极的长度为2.975mm，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有45°的倒角，
所述电磁谐振单元阵列为周期性T形电磁谐振单元阵列，所述T形电磁谐振单元具有轴对称结构，阵列周期为100μm；每个T形电磁谐振单元形成在100μm×100μm的矩形区域上，每个T形电磁谐振单元的横轴长36μm、宽6μm；每个T形电磁谐振单元的纵轴长30μm、宽6μm；纵轴的中心线与100μm×100μm矩形区域的中心线重合，
所述太赫兹光电导天线和周期性T形电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。
2.根据权利要求1所述的电控太赫兹幅度调制器，其特征在于：所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10mm×10mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同；其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的100μm×100μm的矩形区域，每个100μm×100μm的矩形区域上形成有一个T形电磁谐振单元。
3.根据权利要求1-2任一项所述的电控太赫兹幅度调制器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；
第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；
第四步：将光掩膜版T形阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；
第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；
第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)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，从而获得电控太赫兹幅度调制器。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：在第一步中，将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz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。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，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。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版T形阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。
8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底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10-4mbar，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到5nm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到120nm为止，以0.5nm/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。
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