CN112216761A - 基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法 - Google Patents

基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法，探测器包括：衬底、掺杂层、二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极、肖特基电极和普通电极；超表面光学天线层宽度为0.5～10mm，并且包括分别用于探测红外信号的第一金属层和探测太赫兹信号的第二金属层，由于第一金属层和第二金属层分别对入射的红外信号和太赫兹信号波段电磁信号具有极强的局域表面等离激元感应能力，一旦与对应的信号产生局域表面等离激元振荡，其响应速度属于超高速响应，能够在极短时间内产生极强的响应信号，使得探测器能够更好地分辨红外太赫兹波段的电磁信号。此外，由于超表面光学天线的制作采用纳米工艺，使得红外太赫兹信号探测器体积很小、重量很轻。

Description

基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法
技术领域
本发明属于信号探测领域，更具体地，涉及一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法。
背景技术
红外太赫兹探测在安检监控系统、材料检测、空间通信、信号探测、航天航空和工农业生产等众多领域有着广泛地应用。
常见的红外太赫兹探测器主要包括温热探测器、由硅或砷化镓制成的半导体探测器。这些探测器原理成熟，已经实用化，但是在要求高速、高灵敏、小微型化信号探测的场合下，现有红外太赫兹探测器的性能存在不足。这主要是由于现有红外太赫兹探测器存在以下问题：1、红外太赫兹探测器的谱成像装置仍需配置复杂精密的驱动机构，体积和质量大；2、红外太赫兹探测器响应速度较慢；3、红外太赫兹探测器光谱探测波长范围较单一。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器及制备方法，其目的在于解决现有红外太赫兹信号探测器中存在的体积大、响应慢以及探测波段窄等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，包括：衬底层、掺杂层、二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极、肖特基电极、普通电极；其中，所述掺杂层位于所述衬底层上，所述二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极位于所述掺杂层上，所述肖特基电极、普通电极位于所述二氧化硅层上；所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触；所述超表面光学天线层宽度为0.5～10mm，包括第一金属层和第二金属层；其中，所述第一金属层对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性，所述第二金属层对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第一金属层和第二金属层位于同一层，或者所述第一金属层和第二金属层叠加分布。
进一步地，所述第一金属层包括多个第一金属纳尖单元，所述第一金属纳尖单元为平面结构，所述第一金属纳尖单元的宽度为20～80nm，高度为80～300nm，尖角角度为10～60度；或者所述第一金属纳尖单元为立体结构，所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～40度，下底面边长为30～200nm，上底面边长为10～100nm，高为80～300nm。
进一步地，所述第二金属层包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述第二金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个第二金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻的第二金属纳尖单元间距为30～150nm；或者所述第二金属层包括周期性排列的多个立体的结构单元；所述立体的结构单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～90度，下底面边长为200nm～30μm，上底面边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm。
进一步地，所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；所述掺杂层为N型砷化镓或P型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3；所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；S2、在所述掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；S3、在所述二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成欧姆电极接触孔；在所述欧姆电极接触孔处通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成欧姆电极；S4、在所述二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成肖特基接触孔；S5、在所述二氧化硅层上通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成肖特基电极和普通电极；S6、在所述二氧化硅层上制备超表面光学天线层，所述超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，包括：衬底层、第一掺杂层、第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极、第一肖特基电极、第一普通电极、第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极；其中，所述第一掺杂层位于所述衬底层上，所述第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极位于所述第一掺杂层上，所述第一肖特基电极、第一普通电极位于所述第一二氧化硅层上；所述第一肖特基电极和所述第一普通电极均与所述第一超表面光学天线层连接，所述第一超表面光学天线层与所述第一掺杂层形成肖特基接触，所述第一欧姆电极与所述第一掺杂层形成欧姆接触；所述第二掺杂层位于所述衬底层下方，所述第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极位于所述第二掺杂层下方，所述第二肖特基电极、第二普通电极位于所述第二二氧化硅层下方；所述第二肖特基电极和所述第二普通电极均与所述第二超表面光学天线层连接，所述第二超表面光学天线层与所述第二掺杂层形成肖特基接触，所述第二欧姆电极与所述第二掺杂层形成欧姆接触；所述第一超表面光学天线层宽度为0.5～5mm，对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第二超表面光学天线层宽度为2～10mm，对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性。
进一步地，所述第一超表面光学天线层包括多个第一金属纳尖单元，所述第一金属纳尖单元为平面结构，所述第一金属纳尖单元的宽度为20～80nm，高度为80～300nm，尖角角度为10～60度；或者所述第一金属纳尖单元为立体结构，所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～40度，下底面边长为30～200nm，上底面边长为10～100nm，高为80～300nm。
进一步地，所述第二超表面光学天线层包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述第二金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个第二金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻的第二金属纳尖单元间距为30～150nm；或者所述第二超表面光学天线层包括周期性排列的多个立体的结构单元；所述立体的结构单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～90度，下底面边长为200nm～30μm，上底面边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm。
进一步地，所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；所述掺杂层为N型砷化镓或P型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3；所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成第一掺杂层；S2、在所述第一掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备第一二氧化硅层；S3、在所述第一二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成第一欧姆电极接触孔；在所述第一欧姆电极接触孔处通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成第一欧姆电极；S4、在所述第一二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成第一肖特基接触孔；S5、在所述第一二氧化硅层上通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成第一肖特基电极和第一普通电极；S6、在所述第一二氧化硅层上制备第一超表面光学天线层，所述第一超表面光学天线层与第一掺杂层通过第一肖特基接触孔形成肖特基接触；S7、基于步骤S1至S6的操作，在所述衬底层的下方形成所述第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器中，超表面光学天线层宽度为0.5～10mm，并且同时包括分别用于探测红外信号的第一金属层和探测太赫兹信号的第二金属层，由于第一金属层和第二金属层分别对入射的红外信号和太赫兹信号波段电磁信号具有极强的局域表面等离激元感应能力，一旦与对应的信号产生局域表面等离激元振荡，其响应速度属于超高速响应，能够在极短时间内产生极强的响应信号；使得探测器能够更好地分辨红外太赫兹波段的电磁信号。
(2)本发明提供的另一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器中，用两个面分别处理对应频段入射信号，能够增大超表面光学天线接触面积。
(3)本发明提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，通过设置超表面光学天线层中金属纳尖单元的结构、周期和数目等参数，改变超表面光学天线层中纳尖的锐度和纳尖电子浓度，进而控制纳尖信号强度，从而实现红外太赫兹信号探测。并且由于超表面光学天线的制作采用纳米工艺，在1mm2尺寸内可以集成数百万～数千万个纳尖感应单元，因此红外太赫兹信号探测器体积很小、重量很轻。
(4)本发明提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，当金属纳尖单元为平面结构时，超表面光学天线还包括微米基元，各金属纳尖单元分布在微米基元各个边的外侧或内侧，构成微纳结构，在满足较好探测性能的前提下，大大减小了红外太赫兹信号探测器的成本；当金属纳尖单元为立体结构时，由于立体结构为棱台形状，对于入射的红外或太赫兹信号具有局域表面等离激元特性并使能量集中在棱上，更利于检测。
(5)本发明提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，只需要低压直流或交流信号等少量电子资源辅助其进行工作，从而节省了外围电路资源。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的纵向剖面示意图；
图2是本发明实施例一提供的第一金属层的平面金属纳尖单元及其结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的第一金属层的立体金属纳尖单元及其结构示意图；
图4是本发明实施例一提供的微纳结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的微纳结构中金属纳尖单元的结构参数示意图；
图6是本发明实施例一提供的第二金属层的立体金属纳尖单元及其结构示意图；
图7至图9是本发明实施例一提供的三种超表面光学天线层中第一金属层和第二金属层的不同分布示意图；
图10是本发明实施例三提供的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的纵向剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
参阅图1，一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，包括：包括衬底层1、掺杂层2、二氧化硅层3、超表面光学天线层4、欧姆电极5、肖特基电极6和普通电极7。其中，掺杂层2形成在衬底层1上面，二氧化硅层3被制作在掺杂层2上面，超表面光学天线层4被制作在掺杂层2上面，欧姆电极5被制作在掺杂层2上面，肖特基电极6被制作在二氧化硅层3上面，普通电极7被制作在二氧化硅层3上面，欧姆电极5和肖特基电极6分别位于超表面光学天线层4的左右两端，普通电极7和肖特基电极6分别位于超表面光学天线层4的左右两端。肖特基电极6和普通电极7均与超表面光学天线层4连接，超表面光学天线层4与掺杂层2形成肖特基接触，欧姆电极5与掺杂层2形成欧姆接触。
具体的，衬底层1可选用但不限于半绝缘砷化镓，还可以是硅、三氧化二铝等，厚度为200～500μm。当衬底为GaAs衬底时，掺杂层为N型GaAs层或P型GaAs层；当衬底为Si衬底时，掺杂层为N型Si层或P型Si层。其中，当掺杂层为N型时，可选用五价杂质元素磷(P)作为掺杂剂；当掺杂层为P型时，可选用三价杂质元素硼(B)作为掺杂剂；掺杂层2厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3。
欧姆电极5可选用但不限于镍、锗、金，其厚度优选为20～80nm、100～300nm和20～80nm；肖特基电极6可选用但不限于钛、金，其厚度优选为20～80nm和100～250nm；普通电极7可选用但不限于钛、金，其厚度优选为20～80nm和100～250nm。
超表面光学天线层4宽度为0.5～10mm，包括第一金属层和第二金属层；其中，所述第一金属层对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性，所述第二金属层对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第一金属层和第二金属层位于同一层，分块排布独立接收相应信号，或者，所述第一金属层和第二金属层叠加分布，不需要考虑信号接收的方向和位置，一起接收，效率更高。
参阅图2，所述第一金属层包括多个第一金属阵列，每个第一金属阵列包括多个第一金属纳尖单元，所述第一金属纳尖单元为平面结构，通过设置第一金属层中单个第一金属纳尖单元的宽度d为20～80nm，高度h为80～300nm，尖角角度θ为10～60度，使探测器工作于红外波段；具体的，在一个可选实施例中，金属纳尖单元由一个平面金属纳尖构成，为纳米结构，图2中平面金属纳尖呈等腰三角形，此时第一金属层仅由平面金属纳尖构成，各平面金属纳尖的尖角朝向均相同，相邻两个平面金属纳尖通过金属片或金属线相连，金属纳尖的间距p＝10～100nm；其中，平面金属纳尖由厚度为20nm的钛和厚度为200nm的金堆叠而成，第一金属层的厚度为50～220nm。需要说明的是，上述平面金属纳尖的形状并不限于等腰三角形，还可以是其他带有尖形的形状或者尖角处呈现一定弧度的形状。或者所述第一金属纳尖单元为立体结构，所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，其棱边的数目N≥6；具体的如图3所示，本实施例中的棱边数目为6，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度α为10～40度；下底面边长a1为30～200nm，上底面边长a2为10～100nm，斜高h为80～300nm，金属纳尖的间距p＝10～100nm。
参阅图4，所述第二金属层包括多个第二金属阵列，每个第二金属阵列包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；需要说明的是，微米基元还可以是弧形结构；金属纳尖单元分布在微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性。本实施例中，微米基元为长方形，各金属纳尖单元分布在微米基元四个边的外侧，构成微纳结构，在满足较好探测性能的前提下，大大减小了探测器的成本。需要说明的是，超表面光学天线层中相邻的金属纳尖单元无需相连。参阅图5，通过设置第二金属层中单个金属纳尖单元宽d＝20～80nm，高h＝80～300nm，尖角θ＝10～60度，金属纳尖单元间距p＝30～150nm，使探测器工作于太赫兹波段。或者所述第二金属层包括周期性排列的多个立体的结构单元；所述立体的结构单元为直立棱台结构，棱边数目优选N＝4或5。参阅图6，以N＝4为例，该棱台延长线尖角α＝10～90度，底部a1、b1为200nm～30μm，顶部a2、b2为50nm～10μm，高h为300nm～5μm；由于立体的结构单元为棱台形状，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性并使能量集中在棱上，更利于检测。
进一步地，所述第一金属层与所述第二金属层位于同一层时，第一金属层中各第一金属阵列41集中分布在超表面光学天线层4中间区域，第二金属层中各第二金属阵列42分布在超表面光学天线层4的外围区域，共同构成阵列结构，如图7所示；或者，所述第一金属层与所述第二金属层位于同一层时，第一金属层中各第一金属阵列41集中分布在超表面光学天线层4左侧区域，第二金属层中各第二金属阵列42分布在超表面光学天线层4的右侧区域，如图8所示；或者，第一金属层与第二金属层也可以混合排布，此时各金属层的排布顺序是任意的，便于整个光学天线的功能扩展；或者，所述第一金属层和第二金属层叠加分布，如图9所示。
进一步地，通过设置超表面光学天线层4中金属纳尖单元的周期、数目以及金属纳尖单元的几何参数，改变超表面光学天线层中纳尖的锐度和纳尖电子浓度，进而控制纳尖信号强度，实现红外太赫兹信号的精确探测。当目标电磁波信号8垂直入射到超表面光学天线层4后，将产生极强局域表面等离激元效应，从而迅速获得信号探测能力；在常规背景以及环境信号干扰较小情况下，通过施加带负载电阻的2V电压于肖特基电极6和普通电极7上，增强纳尖电子浓度和信号强度，金属纳尖可以探测到太赫兹电磁波信号；在入射电磁波信号较弱情况下，通过施加0.1～5V反向直流偏压于肖欧姆电极5和肖特基电极6上，使得超表面光学天线层4的金属与掺杂层2接触区域的耗尽层宽度增大，增强超表面光学天线层4的纳尖信号强度，实现红外太赫兹信号的探测。
实施例二
一种基于实施例一提出的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底1上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入Si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成掺杂层2，其厚度为1μm～2μm；本实施例中，以衬底层1为半绝缘砷化镓，掺杂层2为N型砷化镓为例；
S2、在掺杂层2上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层3，其厚度为100nm～300nm；
S3、在二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度为二氧化硅层的厚度，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层(其厚度分别为20～80nm/100～300nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层2欧姆接触的欧姆电极5；
S4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度大于二氧化硅层的厚度，形成肖特基接触孔；
S5、在二氧化硅层3上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层(其厚度分别为100～250nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极6和普通电极7；
S6、在二氧化硅层3上制备宽度为0.5～10mm的超表面光学天线层。其中，超表面光学天线层4直接与掺杂层2接触，肖特基电极6位于二氧化硅层3上，且肖特基电极6和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm，普通电极7位于二氧化硅层3上，且普通电极7和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm。
进一步地，当第二金属层包括微米基元时还包括步骤S7，位于所述步骤S4和S5之间；
所述步骤S7包括：在二氧化硅层上采用正胶工艺光刻第二金属层中微米基元的结构图形，并采用电子束蒸发法形成所述微米基元，所述微米基元与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。
进一步地，所述步骤S6包括：
S61、对于平面结构的金属纳尖单元，在二氧化硅层3上电子束曝光法光刻各金属纳尖所组成的平面图形，并以该图形为掩膜采用感应耦合等离子刻蚀法或反应离子刻蚀法刻蚀二氧化硅层，生成各金属纳尖单元所组成的平面结构；对于立体结构的金属纳尖单元，在二氧化硅层3上通过电子束光刻法或平行离子束光刻法生成方形掩膜后，通过感应耦合离子束刻蚀生成各金属纳尖单元所组成的立体结构；
S62、通过电子束蒸发法或者磁控溅射镀膜法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层，得到宽度为0.5～10mm的超表面光学天线层，所述超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。
本发明采用了普通电路和肖特基二极管一体化结构，其以超表面光学天线层作为感光(波)介质，通过纳尖处的局域表面等离激元效应获得信号探测能力；通过上述制备方案集成于以单片砷化镓为衬底的器件中，实现基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器。
实施例三
参阅图10，本实施例提供了另一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，包括：衬底层、第一掺杂层、第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极、第一肖特基电极、第一普通电极、第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极；其中，所述第一掺杂层位于所述衬底层上，所述第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极位于所述第一掺杂层上，所述第一肖特基电极、第一普通电极位于所述第一二氧化硅层上；所述第一肖特基电极和所述第一普通电极均与所述第一超表面光学天线层连接，所述第一超表面光学天线层与所述第一掺杂层形成肖特基接触，所述第一欧姆电极与所述第一掺杂层形成欧姆接触；所述第二掺杂层位于所述衬底层下方，所述第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极位于所述第二掺杂层下方，所述第二肖特基电极、第二普通电极位于所述第二二氧化硅层下方；所述第二肖特基电极和所述第二普通电极均与所述第二超表面光学天线层连接，所述第二超表面光学天线层与所述第二掺杂层形成肖特基接触，所述第二欧姆电极与所述第二掺杂层形成欧姆接触；所述第一超表面光学天线层宽度为0.5～5mm，对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第二超表面光学天线层宽度为2～10mm，对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性。
具体的，参阅图2，所述第一超表面光学天线层包括多个第一金属纳尖单元，多个第一金属纳尖单元相互并联，一端与第一肖特基电极相连，另一端与第一普通电极相连，所述第一金属纳尖单元为平面结构，通过设置第一金属层中单个第一金属纳尖单元的宽度d为20～80nm，高度h为80～300nm，尖角角度θ为10～60度，使探测器工作于红外波段；具体的，在一个可选实施例中，金属纳尖单元由一个平面金属纳尖构成，为纳米结构，图2中平面金属纳尖呈等腰三角形，此时第一超表面光学天线层仅由平面金属纳尖构成，各平面金属纳尖的尖角朝向均相同，相邻两个平面金属纳尖通过金属片或金属线相连，金属纳尖的间距p＝10～100nm；其中，平面金属纳尖由厚度为20nm的钛和厚度为200nm的金堆叠而成，第一超表面光学天线层的厚度为50～220nm。需要说明的是，上述平面金属纳尖的形状并不限于等腰三角形，还可以是其他带有尖形的形状或者尖角处呈现一定弧度的形状。或者，所述第一金属纳尖单元为立体结构，所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，其棱边的数目N≥6；具体的如图3所示，本实施例中的棱边数目为6，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度α为10～40度；下底面边长a1为30～200nm，上底面边长a2为10～100nm，斜高h为80～300nm，金属纳尖的间距p＝10～100nm。
参阅图4，所述第二超表面光学天线层包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；需要说明的是，微米基元还可以是弧形结构；金属纳尖单元分布在微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性。本实施例中，微米基元为长方形，各金属纳尖单元分布在微米基元四个边的外侧，构成微纳结构，在满足较好探测性能的前提下，大大减小了探测器的成本。需要说明的是，第二超表面光学天线层中相邻的金属纳尖单元无需相连。参阅图5，通过设置第二超表面光学天线层中单个金属纳尖单元宽d＝20～80nm，高h＝80～300nm，尖角θ＝10～60度，金属纳尖单元间距p＝30～150nm，使探测器工作于太赫兹波段。或者所述第二超表面光学天线层包括周期性排列的多个立体的结构单元；所述立体的结构单元为直立棱台结构，棱边数目优选N＝4或5。参阅图6，以N＝4为例，该棱台延长线尖角α＝10～90度，底部a1、b1为200nm～30μm，顶部a2、b2为50nm～10μm，高h为300nm～5μm；由于立体的结构单元为棱台形状，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性并使能量集中在棱上，更利于检测。
进一步地，通过设置第一超表面光学天线层和第二超表面光学天线层中金属纳尖单元的周期、数目以及金属纳尖单元的几何参数，改变超表面光学天线层中纳尖的锐度和纳尖电子浓度，进而控制纳尖信号强度，实现红外太赫兹信号的精确探测。当目标电磁波信号8垂直入射到第一超表面光学天线层和第二超表面光学天线层后，将产生极强局域表面等离激元效应，从而迅速获得信号探测能力；在常规背景以及环境信号干扰较小情况下，通过施加带负载电阻的2V电压于肖特基电极6和普通电极7上，增强纳尖电子浓度和信号强度，金属纳尖可以探测到太赫兹电磁波信号；在入射电磁波信号较弱情况下，通过施加0.1～5V反向直流偏压于肖欧姆电极5和肖特基电极6上，使得第一超表面光学天线层和第二超表面光学天线层的金属与掺杂层2接触区域的耗尽层宽度增大，增强第一超表面光学天线层和第二超表面光学天线层的纳尖信号强度，实现红外太赫兹信号的探测。
实施例四
一种基于实施例三提出的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底1上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入Si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成第一掺杂层2，其厚度为1μm～2μm；本实施例中，以衬底层1为半绝缘砷化镓，第一掺杂层2为N型砷化镓为例；
S2、在第一掺杂层2上通过等离子体增强化学气相淀积法制备第一二氧化硅层3，其厚度为100nm～300nm；
S3、在第一二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对欧姆电极接触孔图形位置处的第一二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度为第一二氧化硅层的厚度，得到第一欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻第一欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ni/Ge/Au层(其厚度分别为20～80nm/100～300nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与第一掺杂层2欧姆接触的第一欧姆电极5；
S4、在第一二氧化硅层上通过正胶工艺光刻第一肖特基接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对第一肖特基接触孔图形位置处的第一二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度大于第一二氧化硅层的厚度，形成第一肖特基接触孔；
S5、在第一二氧化硅层3上通过负胶工艺分别光刻第一肖特基电极图形和第一普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的Ti/Au层(其厚度分别为100～250nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成第一肖特基电极6和第一普通电极7；
S6、在第一二氧化硅层3上制备第一超表面光学天线层。其中，第一超表面光学天线层4直接与第一掺杂层2接触，第一肖特基电极6位于第一二氧化硅层3上，且第一肖特基电极6和第一超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm，第一普通电极7位于第一二氧化硅层3上，且第一普通电极7和第一超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm。
S7、基于步骤S1至S6的操作，在所述衬底层的下方形成所述第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，包括：衬底层、掺杂层、二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极、肖特基电极、普通电极；
其中，所述掺杂层位于所述衬底层上，所述二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极位于所述掺杂层上，所述肖特基电极、普通电极位于所述二氧化硅层上；所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触；
所述超表面光学天线层宽度为0.5～10mm，包括第一金属层和第二金属层；其中，所述第一金属层对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性，所述第二金属层对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第一金属层和第二金属层位于同一层，或者所述第一金属层和第二金属层叠加分布。
2.根据权利要求1所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述第一金属层包括多个第一金属纳尖单元，所述第一金属纳尖单元为平面结构，所述第一金属纳尖单元的宽度为20～80nm，高度为80～300nm，尖角角度为10～60度；或者
所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～40度，下底面边长为30～200nm，上底面边长为10～100nm，高为80～300nm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述第二金属层包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述第二金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个第二金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻的第二金属纳尖单元间距为30～150nm；或者
所述第二金属层包括多个周期性排列的立体结构单元；所述立体结构单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～90度，下底面边长为200nm～30μm，上底面边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；
所述掺杂层为N型砷化镓或P型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3；
所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
5.一种基于权利要求1所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成掺杂层；
S2、在所述掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层；
S3、在所述二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成欧姆电极接触孔；在所述欧姆电极接触孔处通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成欧姆电极；
S4、在所述二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成肖特基接触孔；
S5、在所述二氧化硅层上通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成肖特基电极和普通电极；
S6、在所述二氧化硅层上制备超表面光学天线层，所述超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。
6.一种基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，包括：衬底层、第一掺杂层、第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极、第一肖特基电极、第一普通电极、第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极；
其中，所述第一掺杂层位于所述衬底层上，所述第一二氧化硅层、第一超表面光学天线层、第一欧姆电极位于所述第一掺杂层上，所述第一肖特基电极、第一普通电极位于所述第一二氧化硅层上；所述第一肖特基电极和所述第一普通电极均与所述第一超表面光学天线层连接，所述第一超表面光学天线层与所述第一掺杂层形成肖特基接触，所述第一欧姆电极与所述第一掺杂层形成欧姆接触；
所述第二掺杂层位于所述衬底层下方，所述第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极位于所述第二掺杂层下方，所述第二肖特基电极、第二普通电极位于所述第二二氧化硅层下方；所述第二肖特基电极和所述第二普通电极均与所述第二超表面光学天线层连接，所述第二超表面光学天线层与所述第二掺杂层形成肖特基接触，所述第二欧姆电极与所述第二掺杂层形成欧姆接触；
所述第一超表面光学天线层宽度为0.5～5mm，对于入射的红外电磁波具有局域表面等离激元特性；所述第二超表面光学天线层宽度为2～10mm，对于入射的太赫兹电磁波具有局域表面等离激元特性。
7.根据权利要求6所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述第一超表面光学天线层包括多个第一金属纳尖单元，所述第一金属纳尖单元为平面结构，所述第一金属纳尖单元的宽度为20～80nm，高度为80～300nm，尖角角度为10～60度；或者
所述第一金属纳尖单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～40度，下底面边长为30～200nm，上底面边长为10～100nm，高为80～300nm。
8.根据权利要求6所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述第二超表面光学天线层包括微米基元以及多个第二金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述第二金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个第二金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻的第二金属纳尖单元间距为30～150nm；或者
所述第二超表面光学天线层包括多个周期性排列的立体结构单元；所述立体结构单元为直立棱台结构，各棱边的反向延长线相交所构成的尖角角度为10～90度，下底面边长为200nm～30μm，上底面边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm。
9.根据权利要求6至8任一项所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；
所述掺杂层为N型砷化镓或P型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3；
所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
10.一种基于权利要求6所述的基于超表面光学天线的红外太赫兹信号探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底层上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入掺杂离子，形成第一掺杂层；
S2、在所述第一掺杂层上通过等离子体增强化学气相淀积法制备第一二氧化硅层；
S3、在所述第一二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成第一欧姆电极接触孔；在所述第一欧姆电极接触孔处通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成第一欧姆电极；
S4、在所述第一二氧化硅层上通过正胶工艺以及腐蚀处理，形成第一肖特基接触孔；
S5、在所述第一二氧化硅层上通过负胶工艺以及电子束蒸发法，形成第一肖特基电极和第一普通电极；
S6、在所述第一二氧化硅层上制备第一超表面光学天线层，所述第一超表面光学天线层与第一掺杂层通过第一肖特基接触孔形成肖特基接触；
S7、基于步骤S1至S6的操作，在所述衬底层的下方形成所述第二掺杂层、第二二氧化硅层、第二超表面光学天线层、第二欧姆电极、第二肖特基电极、第二普通电极。
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