CN108461481B - 一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法，其中芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；其中，辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面；绝缘增透层以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘。本发明提出的芯片及其制备方法可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，并改善辐射的方向性。

Description

一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于太赫兹频率天线领域，具体涉及一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着新材料和新技术的发展，特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹(Terahertz,1THz＝1012Hz)技术得以迅速发展，在全世界范围内也涌现了太赫兹技术的研究热潮。在可以预见的未来，太赫兹技术将在很多领域发挥很重要的应用，例如，药物工业中的监控与光谱分析、医疗成像、材料的光谱分析及其传感探测技术、公共安全以及超高速的电子路线与通讯等领域。
现阶段太赫兹波发射源的发展是太赫兹技术中急需解决的关键技术之一。太赫兹波发射源主要基于三种技术路线：光学技术、电子学技术以及超快光电子学技术。光电导天线(Photoconductive Antenna,PCA)是目前广泛使用的太赫兹波发射源之一。目前，制作在基底上的天线在太赫兹频段时，基底的厚度通常与波长相等，有时甚至大于波长，导致产生表面波或基底模式。表面波或基底模式可导致光电导天线产生的太赫兹波的功率和效率较低、方向性差等问题。为了解决这一问题，在实际应用中，通常采用在光电导天线输出端加载硅透镜或者锥形喇叭结构这两种方法提高太赫兹波的功率，改善太赫兹波的方向性，但是这两种方法都不可避免地增加了天线的尺寸，增大了制作工艺的难度。
发明内容
为了解决上述光电导天线产生的太赫兹功率和效率较低、方向性差的问题，本发明提供了一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法，可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，并改善辐射的方向性。
一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；
其中，太赫兹辐射材料层位于衬底的上表面，衬底和太赫兹辐射材料层夹合而成的结构构成芯片基底；
辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；
天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，天线结构与辐射限制框结构之间留有空隙；
绝缘增透层位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，并以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘；绝缘增透层的外侧区域形成光学透过区。
进一步地，绝缘增透层与辐射限制框结构之间留有空隙。
进一步地，所述太赫兹频率天线芯片还包括绝缘保护层，绝缘保护层位于绝缘增透层和在太赫兹辐射材料层的上表面的辐射限制框结构的上方，并填充绝缘增透层与辐射限制框结构之间的空隙，绝缘增透层未被绝缘保护层覆盖的区域形成所述光学透过区。
进一步地，背面透过区和正面透过区的形状是圆形或者方形，两者的形状相同或者不同；背面透过区和正面透过区的大小相同或者不同。
进一步地，天线结构由多块金属电极组成。
进一步地，天线结构具有偶极、蝶形、螺旋或多极的分布结构。
进一步地，衬底和太赫兹辐射材料层之间设置有缓冲层，衬底、缓冲层和太赫兹辐射材料层构成芯片基底。
进一步地，太赫兹辐射材料层上形成一个光照区，该光照区位于天线结构的中心间隙区。
一种如前任一项所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
在衬底上生长具有大暗电阻、高载流子迁移率、载流子寿命低于亚皮秒量级的太赫兹辐射材料，形成太赫兹辐射材料层；
光刻显影后，用电子束蒸发工艺在太赫兹辐射材料层表面淀积一定厚度的金属，并在金属剥离后形成天线结构；
天线结构经退火处理与太赫兹辐射材料层形成欧姆接触；
在太赫兹辐射材料层和天线结构的表面生长具有增透和绝缘保护作用的绝缘层；
进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在太赫兹辐射材料层上围绕天线结构形成具有增透和绝缘保护作用的绝缘增透层；
正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在太赫兹辐射材料层上形成正面透过区；
去除光刻胶并减薄；
在衬底背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在衬底上形成背面透过区，背面透过区形成辐射透过区；背面透过区和正面透过区有区域在垂直方向是重叠的；
芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积金属，除天线结构之外，正面、背面和侧面所沉积的金属相互连接，形成辐射限制框结构。
进一步地，在形成正面透过区后，在正面透过区一侧光刻显影，制备绝缘保护层；正面透过区未被绝缘保护层覆盖的部分形成光学透过区。
本发明的有益效果：
本发明提供的具有辐射限制框的太赫兹天线结构芯片及其制备方法，通过在天线结构外围设置金属辐射限制框，能够抑制或消除芯片基底厚度尺寸对辐射方向的影响，同时有助于提高辐射效率，可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，探测，并改善辐射的方向性。
附图说明
图1是本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的俯视图；
图2是本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片沿A-A的剖面图；
图3a是本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的阻抗图；
图3b是无辐射限制框结构的太赫兹天线芯片的阻抗图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明提出了一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，如图1所示，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底1001、太赫兹辐射材料层1002、天线结构1003、绝缘增透层1004和辐射限制框结构1005。
其中，太赫兹辐射材料层1002位于衬底1001的上表面，图1示出了衬底1001和太赫兹辐射材料层1002为方形结构，但本领域技术人员知晓，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002还可以为其他结构，例如扁圆柱形结构。衬底1001和太赫兹辐射材料层1002夹合而成的结构构成芯片基底。衬底1001和太赫兹辐射材料层1002之间可以夹设结构层，也可以不夹设结构层。当没有结构层时，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002构成芯片基底。优选地，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002相接触的表面尺寸相同。另外，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002之间还可以夹设结构层，例如夹设缓冲层，此时衬底1001、缓冲层和太赫兹辐射材料层1002组成芯片基底。太赫兹辐射材料层1002可以是光电导体、电光晶体、半导体材料或者超导材料。半导体材料可以选用Si、GaAs、InP等半导体材料。太赫兹辐射材料层1002是太赫兹电磁辐射产生和探测的关键部件，性能良好的材料具有皮秒至飞秒量级的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。衬底1001的材料可以与太赫兹辐射材料层1002的材料相同，也可以与太赫兹辐射材料层1002的材料不同。
辐射限制框结构1005以露出衬底1001的部分下表面和太赫兹辐射材料层1002的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构1005在衬底1001的下表面露出的部分形成背面透过区1006，辐射限制框结构1005在太赫兹辐射材料层1002的上表面露出的部分形成正面透过区1007，背面透过区1006和正面透过区1007在垂直于衬底1001上表面的方向上有重叠区域。背面透过区1006形成辐射透过区。辐射限制框结构1005的材料为金属或其他在太赫兹波段有高反射率的材料，例如为Ni/Ge/Au合金金属。背面透过区1006和正面透过区1007的形状可以是圆形、方形或者其他形状，两者的形状可以相同，也可以不同。背面透过区1006和正面透过区1007的大小可以相同，也可以不同。
天线结构1003位于正面透过区1007内的太赫兹辐射材料层1002的上表面，天线结构1003与辐射限制框结构1005之间留有空隙。所述辐射限制框结构1005与天线结构1003相互电绝缘。优选地，天线结构1003位于正面透过区1007内的居中位置。天线结构1003由多块金属电极组成，形成具有偶极(如图1所示)、蝶形、螺旋或多极等分布结构的天线。在使用时，天线结构1003的电极上需要加偏压。
所述太赫兹辐射材料层1002上形成一个光照区，该光照区位于天线结构1003的中心间隙区。背面透过区1006和光照区在垂直于衬底1001上表面的方向上有重叠区域。通过改变辐射限制框结构1005的形状、大小、材料或者天线结构1003的形状、大小、材料可以改变光照区的位置和大小，实现对太赫兹辐射方向、阻抗匹配和辐射功率的调节。在使用时，天线结构1003的电极上需要加偏压，光聚焦于光照区。
绝缘增透层1004具有增透和绝缘保护作用，位于正面透过区1007内的太赫兹辐射材料层1002的上表面，并以露出天线结构1003的方式包围天线结构1003，绝缘增透层1004与辐射限制框结构1005之间留有空隙。绝缘增透层1004沿垂直于太赫兹辐射材料层1002的上表面的方向的厚度小于天线结构1003的厚度。图1中，绝缘增透层1004沿平行于太赫兹辐射材料层1002的上表面的方向的外边缘形状为方形，但本领域技术人员知晓，外边缘形状还可以为其他形状，例如圆形。绝缘增透层1004的外侧区域形成光学透过区1009。
具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片还可以包括绝缘保护层1008，绝缘保护层1008位于绝缘增透层1004和在太赫兹辐射材料层1002的上表面的辐射限制框结构1005的上方，并填充绝缘增透层1004与辐射限制框结构1005之间的空隙。绝缘增透层1004未被绝缘保护层1008覆盖的区域形成光学透过区1009。
本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片工作在太赫兹频段时的阻抗如图3a所示，无辐射限制框结构的太赫兹天线芯片工作在太赫兹频段时的阻抗如图3b所示，从图3a和图3b可以明显看出，具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片工作在太赫兹频段时的阻抗，大于无辐射限制框结构的太赫兹天线芯片工作在太赫兹频段时的阻抗，另外，具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的远场图与无辐射限制框结构的太赫兹天线芯片的远场图相比，具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的副瓣明显减少。本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，通过辐射限制框结构，可以显著改善天线的辐射方向图受基底厚度尺寸的不利影响，同时，阻抗匹配也能得到改善，辐射功率有所提高。
本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的制备方法，包括以下步骤：
在衬底1001上生长具有大暗电阻、高载流子迁移率、载流子寿命低于亚皮秒量级的太赫兹辐射材料，形成太赫兹辐射材料层1002，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002构成芯片基底；衬底1001和太赫兹辐射材料层1002之间也可以增加结构层，例如缓冲层，如果增加其他结构层，那么衬底1001和太赫兹辐射材料层1002以及两者之间的结构层一起构成芯片基底；
光刻显影后，用电子束蒸发工艺在太赫兹辐射材料层1002表面淀积一定厚度的金属，并在金属剥离后形成天线结构1003，天线结构1003可以采用偶极(如图1所示)、蝶形、螺旋、多极或其他结构；
天线结构1003经退火处理与太赫兹辐射材料层1002形成欧姆接触；
在太赫兹辐射材料层1002和天线结构1003的表面生长具有增透和绝缘保护作用的绝缘层；
进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在太赫兹辐射材料层1002上围绕天线结构1003形成具有增透和绝缘保护作用的绝缘增透层1004；
正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在太赫兹辐射材料层1002上形成正面透过区1007；
进一步地，在正面透过区1007一侧光刻显影，制备绝缘保护层1008，正面透过区1007未被绝缘保护层1008覆盖的部分形成光学透过区1009；
去除光刻胶并减薄；
在衬底1001背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在衬底1001上形成背面透过区1006，背面透过区1006形成辐射透过区；背面透过区1006和正面透过区1007有区域在垂直方向是重叠的；
芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积金属，除天线结构1003之外，正面、背面和侧面所沉积的金属相互连接，形成辐射限制框结构1005。
在使用时，天线结构1003的电极上需要加偏压。
下面以两个具体实施例，对本发明提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法进行进一步的说明。
实施例1：
如图1和图2所示，在450μm厚半绝缘GaAs衬底(即衬底1001)上，首先生长80nm的GaAs缓冲层，生长温度为580℃，然后生长具有大暗电阻、高载流子迁移率、载流子寿命低于亚皮秒量级、厚度为1μm-2μm的低温GaAs薄膜层(即太赫兹辐射材料层1002)，GaAs薄膜层生长温度低于300℃,退火温度为500℃,退火时间为10分钟,厚度为1μm-2μm；半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层和低温GaAs薄膜层组成芯片基底；
然后光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积厚度为300-900nm的Ni/Ge/Au合金或者Ti/Pt/Au合金，在金属剥离后形成天线结构1003；天线结构1003为图1所示的偶极结构，天线结构1003也可以为蝶形、螺旋或多极等其他结构；
天线结构1003经退火处理与低温GaAs薄膜层形成欧姆接触；
随后生长具有增透和绝缘保护作用的SiO2/Si3N4形成绝缘增透层；
进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在天线结构1003的电极的间隙内和天线结构1003周围区域的低温GaAs材料层1002上形成具有增透和绝缘保护作用的SiO2/Si3N4形成绝缘增透层(即绝缘增透层1004)；
正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，在金属剥离后，在低温GaAs材料层1002上形成正面透过区1007；
更进一步地，在正面透过区1007一侧光刻显影，制备绝缘保护层1008，正面透过区1007未被绝缘保护层覆盖的部分形成光学透过区1009；
去除光刻胶并减薄；
在半绝缘GaAs衬底1001上背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，在金属剥离后，在衬底1001上形成背面透过区1006，背面透过区1006形成辐射透过区；背面透过区1006和正面透过区1007有区域在垂直方向是重叠的；
芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，除天线结构1003之外，正面、背面和侧面所沉积的Ni/Ge/Au合金金属相互连接，形成辐射限制框结构1005。
在使用时，天线结构1003的电极上需要加偏压。
实施例2：
如图1和图2所示，在本征InP衬底(即衬底1001)上，生长具有大暗电阻、高载流子迁移率的InGaAs:Be/InAlAs多量子阱层材料层(即太赫兹辐射材料层1002)，约100个周期，InAlAs层的厚度为7-9nm，InGaAs:Be层的厚度为8-14nm，总厚度为1μm-2μm；InP衬底和多量子阱层材料层组成芯片基底；
然后光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积厚度为300-900nm的Ni/Ge/Au合金或者Ti/Pt/Au合金，在金属剥离后形成天线结构1003，天线结构1003为图1示的偶极结构，或者为蝶形、螺旋或多极等其他结构；
天线结构1003经退火处理与多量子阱层材料层形成欧姆接触；
随后生长具有增透和绝缘保护作用的SiO2/Si3N4形成绝缘增透层；
进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在天线结构1003的电极的间隙内和天线结构1003周围区域的多量子阱层材料层上形成具有增透和绝缘保护作用的SiO2/Si3N4形成绝缘增透层(即绝缘增透层1004)；
正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，在金属剥离后，在多量子阱层材料层1002上形成正面透过区1007；
进一步地，在正面透过区1007一侧光刻显影，制备绝缘保护层1008，正面透过区1007未被绝缘保护层覆盖的部分形成光学透过区1009；
去除光刻胶并减薄；
在本征InP衬底1001上背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，在金属剥离后，在衬底1001上形成背面透过区1006，背面透过区1006形成辐射透过区；背面透过区1006和正面透过区1007有区域在垂直方向是重叠的；
芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积500nm的Ni/Ge/Au合金金属，除天线结构1003之外，正面、背面和侧面所沉积的Ni/Ge/Au合金金属相互连接，形成辐射限制框结构1005。
在使用时，天线结构1003的电极上需要加偏压。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；
其中，太赫兹辐射材料层位于衬底的上表面，衬底和太赫兹辐射材料层夹合而成的结构构成芯片基底；
辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；
天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，天线结构与辐射限制框结构之间留有空隙；天线结构由多块金属电极组成；
绝缘增透层位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，并以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘；
绝缘增透层与辐射限制框结构之间留有空隙；
所述太赫兹频率天线芯片还包括绝缘保护层，绝缘保护层位于绝缘增透层和在太赫兹辐射材料层的上表面的辐射限制框结构的上方，并填充绝缘增透层与辐射限制框结构之间的空隙，绝缘增透层未被绝缘保护层覆盖的区域形成光学透过区。
2.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，绝缘增透层沿垂直于太赫兹辐射材料层的上表面的方向的厚度小于天线结构的厚度。
3.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，背面透过区和正面透过区的形状是圆形或者方形，两者的形状相同或者不同；背面透过区和正面透过区的大小相同或者不同。
4.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，天线结构具有偶极的分布结构。
5.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，天线结构具有蝶形、螺旋或多极的分布结构。
6.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，衬底和太赫兹辐射材料层之间设置有缓冲层，衬底、缓冲层和太赫兹辐射材料层构成芯片基底。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，太赫兹辐射材料层上形成一个光照区，该光照区位于天线结构的中心间隙区。
8.根据权利要求7所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，背面透过区和正面透过区在垂直于衬底上表面的方向上有重叠区域，背面透过区和光照区在垂直于衬底上表面的方向上有重叠区域。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在衬底上生长具有大暗电阻、高载流子迁移率、载流子寿命低于亚皮秒量级的太赫兹辐射材料，形成太赫兹辐射材料层；
光刻显影后，用电子束蒸发工艺在太赫兹辐射材料层表面淀积一定厚度的金属，并在金属剥离后形成天线结构；
天线结构经退火处理与太赫兹辐射材料层形成欧姆接触；
在太赫兹辐射材料层和天线结构的表面生长具有增透和绝缘保护作用的绝缘层；
进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在太赫兹辐射材料层上围绕天线结构形成具有增透和绝缘保护作用的绝缘增透层；
正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在太赫兹辐射材料层上形成正面透过区；
去除光刻胶并减薄；
在衬底背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在衬底上形成背面透过区，背面透过区形成辐射透过区；背面透过区和正面透过区有区域在垂直方向是重叠的；
芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积金属，除天线结构之外，正面、背面和侧面所沉积的金属相互连接，形成辐射限制框结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在形成正面透过区后，在正面透过区一侧光刻显影，制备绝缘保护层；正面透过区未被绝缘保护层覆盖的部分形成光学透过区。
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