太赫茲近場探測器、光電導(dǎo)天線及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太赫茲近場探測器和光電導(dǎo)天線，以及該光電導(dǎo)天線的制作方法。所述光電導(dǎo)天線包括襯底，粘合在襯底上的低溫砷化鎵波片層，粘合在低溫砷化鎵波片層上的偶極天線，偶極天線為低溫砷化鎵薄片，設(shè)置在偶極天線上的絕緣層，以及設(shè)置在絕緣層上的帶孔金屬板。帶孔金屬板能使背景噪聲信號大幅衰減，提高近場探測的空間分辨率。
【專利說明】
太赫茲近場探測器、光電導(dǎo)天線及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種太赫茲近場探測器，和該太赫茲近場探測器中采用的光電導(dǎo)天線以及該光電導(dǎo)天線的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，利用太赫茲時域光譜進(jìn)行成像越來越受到關(guān)注。太赫茲時域光譜成像在安檢、空間遙感、材料的無損檢測、高分辨率太赫茲顯微鏡等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。典型的太赫茲時域光譜系統(tǒng)主要包括四個部分:飛秒脈沖輻射源、時間延遲系統(tǒng)、太赫茲輻射器，以及太赫茲探測器。其中飛秒脈沖輻射源輸出飛秒激光脈沖，該激光脈沖經(jīng)過光纖分路器分為栗浦光和探測光。栗浦光激發(fā)太赫茲福射器進(jìn)而向外福射太赫茲波。該太赫茲波被太赫茲探測器收集，并驅(qū)動由探測光激發(fā)太赫茲探測器中的光電導(dǎo)天線生成的載流子，載流子運動形成的光電流信號被電流探測裝置提取。該光電流信號記載著太赫茲時域信息經(jīng)過后續(xù)處理便可得到太赫茲波的時域波形圖，進(jìn)一步地對所得到的時域波形圖進(jìn)行傅里葉變換，即可得到太赫茲波的頻域光譜圖。
[0003]太赫茲探測分為近場探測和遠(yuǎn)場探測。遠(yuǎn)近場探測的劃分與天線輻射場劃分有關(guān)，定義D為天線的有效輻射口徑長度，λ為天線輻射的電磁波波長，R為探測點與天線的距離。當(dāng)滿足2?2/λ，則認(rèn)為是屬于遠(yuǎn)場探測，否則即為近場探測。其中遠(yuǎn)場探測中，由成像分辨率公式P = RA/D可知，隨著成像距離減小空間分辨率不斷提高，但是受限于衍射極限，最高只能達(dá)到2D。而近場成像分辨率可達(dá)D/2以下，相較于遠(yuǎn)場探測，近場探測成像能獲取更高的空間分辨率。
[0004]太赫茲近場探測器又可分為無孔型和有孔型，相比于無孔探測方式，有孔近場探測具有高集成度，高靈敏度，高信噪比等優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種光電導(dǎo)天線，以及該光電導(dǎo)天線的制作方法。本發(fā)明還提供一種具有上述光電導(dǎo)天線的太赫茲近場探測器，以期實現(xiàn)高分辨率成像。
[0006]—種用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，包括:
[0007]襯底；
[0008]低溫砷化鎵波片層，粘合在襯底上；
[0009]偶極天線，為低溫生長的砷化鎵薄片并粘合在低溫砷化鎵波片層上；
[0010]絕緣層，設(shè)置在偶極天線上；以及
[0011]帶孔金屬板，設(shè)置在絕緣層上。
[0012]在其中一個實施例中，所述襯底為藍(lán)寶石襯底。
[0013]在其中一個實施例中，所述低溫砷化鎵波片層為方形或者圓形。
[0014]在其中一個實施例中，所述低溫砷化鎵波片層與襯底通過光學(xué)膠層粘接。
[0015]在其中一個實施例中，所述偶極天線為兩個對稱排布的T型低溫砷化鎵薄片。
[0016]在其中一個實施例中，所述帶孔金屬板為鋁片，所述鋁片上設(shè)有孔，所述孔的中心對準(zhǔn)所述偶極天線的中心。
[0017]在其中一個實施例中，所述絕緣層為二氧化硅層。
[0018]一種太赫茲近場探測器，用于收集透過樣本的太赫茲波，包括上述光電導(dǎo)天線，以及透鏡和調(diào)整架，所述光電導(dǎo)天線與透鏡集成在一起成為光電導(dǎo)探頭，而光電導(dǎo)探頭設(shè)置在調(diào)整架上，調(diào)整架能夠調(diào)整樣本與光電導(dǎo)探頭之間的距離。
[0019]—種上述任意一種的光電導(dǎo)天線的制作方法，步驟包括:
[0020]偶極天線的形成步驟，包括在半絕緣砷化鎵襯底上形成隔斷層，再在隔斷層上低溫生長砷化鎵薄膜層，并蝕刻所述砷化鎵薄膜層形成兩個對稱排布的T型結(jié)構(gòu)；
[0021]低溫砷化鎵波片層粘合步驟，將經(jīng)過所述形成步驟獲得的偶極天線結(jié)構(gòu)與低溫砷化鎵波片層粘合，且所述T型結(jié)構(gòu)鄰近所述低溫砷化鎵波片層；
[0022]襯底粘合步驟，將經(jīng)過所述粘合步驟獲得的結(jié)構(gòu)與藍(lán)寶石襯底通過環(huán)氧樹脂層粘接；
[0023]絕緣層形成步驟，包括濕法刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕去除所述砷化鎵襯底，并用氟化氫去除所述隔斷層，然后在暴露出的低溫生長的砷化鎵薄膜層上沉積二氧化硅絕緣層；
[0024]帶孔金屬板形成步驟，將帶孔金屬板設(shè)置在所述絕緣層上。
[0025]上述太赫茲近場探測器因設(shè)有帶孔金屬板，能使背景噪聲信號大幅衰減，提高近場探測的空間分辨率。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一實施例提供的太赫茲近場探測器的部分結(jié)構(gòu)示意圖，以及與太赫茲輻射源、檢測樣本配合的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明一實施例提供的太赫茲近場探測器中的部分結(jié)構(gòu)的拆解示意圖。
[0028]圖3為圖2所示太赫茲近場探測器中的光電導(dǎo)天線中的偶極天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]如圖1所示，本發(fā)明一實施例提供的太赫茲近場探測器10用于接收由太赫茲輻射源發(fā)出的太赫茲波200，所述太赫茲波200透過樣品201并由太赫茲近場探測器10成像，以實現(xiàn)對樣品201的檢測。太赫茲波200在透過樣品201之前，經(jīng)由一超半球形的硅透鏡202進(jìn)行聚焦，使太赫茲波201能夠在太赫茲近場探測器10中被更好的收集。同時參考圖2，所述太赫茲近場探測器10包括光電導(dǎo)天線11、透鏡12和調(diào)整架13。所述光電導(dǎo)天線11和透鏡12組合形成光電導(dǎo)探頭，所述光電導(dǎo)探頭設(shè)置在調(diào)整架13上，調(diào)整架13能夠調(diào)整樣本201與光電導(dǎo)探頭之間的距離，從而完成樣品201不同位置的成像。
[0030]所述太赫茲近場探測器10還包括用于傳輸探測光203的光纖14以及用于與光電導(dǎo)天線11連接的電流探測裝置15。太赫茲波200驅(qū)動由探測光203激發(fā)光電導(dǎo)天線11產(chǎn)生的載流子從而產(chǎn)生電流信號，分析處理該電流信號便可得到太赫茲波200的時域光譜，根據(jù)有無樣本時的太赫茲光譜的變化從而實現(xiàn)對樣品201的檢測。
[0031]本發(fā)明將重點描述太赫茲近場探測器10中的光電導(dǎo)天線11的結(jié)構(gòu)以及其制作方法，而未詳細(xì)描述的相關(guān)結(jié)構(gòu)與組成均可參現(xiàn)有的設(shè)計完成。
[0032]如圖2和圖3中所示，所述光電導(dǎo)天線11包括依次設(shè)置的襯底111、低溫砷化鎵波片層112、偶極天線113、絕緣層114和帶孔金屬板115。
[0033]在一實施例中，所述襯底111為圓形藍(lán)寶石襯底，且厚度為1mm，直徑為6mm?？梢岳斫馍鲜鲆r底111在實現(xiàn)相同功能的前提下，可以是其他材質(zhì)的襯底，厚度可以是其他特定值，形狀也可以是方形等其他形狀。需要說明的是本發(fā)明具體實施例中提供包含特定值參數(shù)以及形狀的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值，形狀也可以適應(yīng)性的變換。下文中涉及具體參數(shù)和形狀時均可有相同理解。
[0034]在一實施例中，所述低溫砷化鎵波片層112為方形，且厚度為750nm，邊長為6mm。低溫砷化鎵波片層112粘合在襯底111上。所述低溫砷化鎵波片層112與襯底111通過光學(xué)膠層粘接。在一具體實施例中，所述低溫砷化鎵波片層112與襯底111通過厚度為3μπι的環(huán)氧樹脂層116粘接。低溫砷化鎵一般是指在溫度低于600攝氏度的條件下生成的砷化鎵，例如溫度為200-300攝氏度。
[0035]如圖3中所示，所述偶極天線113為兩個對稱排布的低溫生長的砷化鎵薄片，均呈T型。所述偶極天線113之間的最大間距Lm為200μηι，最小間距Ls為5μηι，所述偶極天線113的長度d為20μηι，所述偶極天線113的厚度W為ΙΟμπι。偶極天線113粘合在低溫砷化鎵波片層112上。電流探測裝置15與所述偶極天線113連接，用于提取太赫茲波200驅(qū)動偶極天線113生成的載流子所形成的電流信號。
[0036]在一實施例中，所述絕緣層114為二氧化硅層，厚度為500nm。
[0037]在一實施例中，所述帶孔金屬板115為厚度300nm、邊長2mm的鋁片，所述鋁片上設(shè)有邊長20μπι的方形孔，所述方形孔的中心對準(zhǔn)所述偶極天線113的中心。可以理解，方形孔也可以是圓形孔等。偶極天線113的中心，是指兩個T型低溫砷化鎵薄片的幾何中心點，如圖3中A所示位置。
[0038]上述太赫茲近場探測器在太赫茲時域光譜系統(tǒng)中工作的過程大致如下:探測光經(jīng)過光纖傳輸后，被一對透鏡擴(kuò)束之后再聚焦于偶極天線上激發(fā)產(chǎn)生載流子。太赫茲波經(jīng)過樣本后，通過太赫茲近場探測器接收，并驅(qū)動載流子形成電流信號被電流探測裝置提取。太赫茲近場探測器中的光電導(dǎo)天線與透鏡組合在一起成為光電導(dǎo)探頭并安裝在調(diào)整架上，通過調(diào)整架調(diào)節(jié)樣本與探頭之間的距離，從而實現(xiàn)樣品的三維太赫茲成像掃描。
[0039]本發(fā)明還提供一種上述的光電導(dǎo)天線的制作方法，步驟包括:
[0040]偶極天線的形成步驟，包括在半絕緣砷化鎵襯底上形成隔斷層，再在隔斷層上低溫生長砷化鎵薄膜層，并蝕刻所述低溫砷化鎵薄膜層形成兩個對稱排布的T型結(jié)構(gòu)；
[0041]低溫砷化鎵波片層粘合步驟，將經(jīng)過所述形成步驟獲得的偶極天線結(jié)構(gòu)與低溫砷化鎵波片層粘合，且所述T型結(jié)構(gòu)鄰近所述低溫砷化鎵波片層；
[0042]襯底粘合步驟，將經(jīng)過所述低溫砷化鎵波片層粘合步驟獲得的結(jié)構(gòu)與藍(lán)寶石襯底通過環(huán)氧樹脂層粘接；
[0043]絕緣層形成步驟，包括濕法刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕去除所述砷化鎵襯底，并用氟化氫去除所述隔斷層，然后在暴露出的低溫生長的砷化鎵薄膜層上沉積二氧化硅絕緣層；
[0044]帶孔金屬板形成步驟，將帶孔金屬板設(shè)置在所述絕緣層上。
[0045]在一實施例中，隔斷層為厚度為10nm的砷化鋁層。
[0046]在一實施例中，砷化鎵襯底的厚度為650μπι。低溫砷化鎵層的厚度為1.5μπι。
[0047]在一實施例中，絕緣層形成步驟中，通過濕法刻蝕所述砷化鎵襯底消減大約600μm，等快要接觸到砷化鋁層時，再用由SF6和SiC14制成的混合試劑采用反應(yīng)離子刻蝕法擦去剩下的50μπι的砷化鎵襯底。而砷化鋁層則使用氟化氫擦去，最后暴露出低溫生長的砷化鎵薄膜層，厚度大約為Ιμπι。
[0048]在一實施例中，通過沉積的方法將絕緣層設(shè)置在所述暴露的低溫生長的砷化鎵薄膜層上。絕緣層為厚度500nm的二氧化硅層。
[0049]在一實施例中，帶孔金屬板為厚度300nm，邊長2mm的鋁薄片，鋁薄片上開一個邊長為20μπι的方形孔，孔中心對準(zhǔn)偶極天線的中心，誤差在正負(fù)2μπι左右。
[0050]由于帶孔鋁薄片的使用導(dǎo)致背景噪聲信號的大幅衰減，提高了近場探測的空間分辨率。
[0051]以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。
[0052]以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，包括: 襯底； 低溫砷化鎵波片層，粘合在襯底上； 偶極天線，為低溫生長的砷化鎵薄片并粘合在低溫砷化鎵波片層上； 絕緣層，設(shè)置在偶極天線上；以及 帶孔金屬板，設(shè)置在絕緣層上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述低溫砷化鎵波片層為方形或者圓形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述低溫砷化鎵波片層與襯底通過光學(xué)膠層粘接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述偶極天線為兩個對稱排布的T型低溫砷化鎵薄片。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述帶孔金屬板為鋁片，所述鋁片上設(shè)有孔，所述孔的中心對準(zhǔn)所述偶極天線的中心。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太赫茲近場探測的光電導(dǎo)天線，其特征在于，所述絕緣層為二氧化硅層。8.一種太赫茲近場探測器，用于收集透過樣本的太赫茲波，其特征在于包括權(quán)利要求1-7項中任意一項所述的光電導(dǎo)天線，以及透鏡和調(diào)整架，所述光電導(dǎo)天線與透鏡集成在一起成為光電導(dǎo)探頭，而光電導(dǎo)探頭設(shè)置在調(diào)整架上，調(diào)整架能夠調(diào)整樣本與光電導(dǎo)探頭之間的距離。9.一種權(quán)利要求1-7項中任意一項所述的光電導(dǎo)天線的制作方法，步驟包括: 偶極天線的形成步驟，包括在半絕緣砷化鎵襯底上形成隔斷層，再在隔斷層上低溫生長砷化鎵薄膜層，并蝕刻所述砷化鎵薄膜層形成兩個對稱排布的T型結(jié)構(gòu)； 低溫砷化鎵波片層粘合步驟，將經(jīng)過所述形成步驟獲得的偶極天線結(jié)構(gòu)與低溫砷化鎵波片層粘合，且所述T型結(jié)構(gòu)鄰近所述低溫砷化鎵波片層； 襯底粘合步驟，將經(jīng)過所述粘合步驟獲得的結(jié)構(gòu)與藍(lán)寶石襯底通過環(huán)氧樹脂層粘接； 絕緣層形成步驟，包括濕法刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕去除所述砷化鎵襯底，并用氟化氫去除所述隔斷層，然后在暴露出的低溫生長的砷化鎵薄膜層上沉積二氧化硅絕緣層； 帶孔金屬板形成步驟，將帶孔金屬板設(shè)置在所述絕緣層上。
【文檔編號】H01Q1/22GK105870582SQ201610349988
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】彭世昌, 潘奕, 李辰, 丁慶
【申請人】深圳市太赫茲系統(tǒng)設(shè)備有限公司