[發明專利]砷化鎵納米柱陣列太赫茲波發射裝置及制造方法

有效

• 申請號: 201810114098.1
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108417976B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 谷建強;王可蒙;余晴;歐陽春梅;田震;韓家廣;張偉力
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q15/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及太赫茲波發射裝置，為提高納米超材料對光電導天線性能的調制能力，實現增大光電流，提高天線的輻射功率和效率，同時減小飛秒激光在半導體中的趨膚深度，使載流子漂移運動方向更好的束縛在半導體表面。為此，本發明采用的技術方案是，砷化鎵納米柱陣列太赫茲波發射裝置及制造方法，由納米結構層、光電導天線和硅透鏡構成，納米結構層由固定間隔周期性排列的柱狀單元結構組成，納米結構層布設在光電導天線襯底層正面的兩根平行金屬電極中間，所述柱狀單元的一端與襯底層相連；硅透鏡貼在光電導天線襯底層背面。本發明主要應用于太赫茲波發射裝置的設計制造場合。

技術領域

本發明是一種用于發射太赫茲波的砷化鎵納米柱陣列，該結構可用于太赫茲時域光譜系統發射極天線上，有望提高太赫茲時域光譜系統的太赫茲輻射功率和效率。具體講,涉及用于發射太赫茲波的砷化鎵納米柱陣列。

背景技術

太赫茲波(Terahertz wave，THz wave)是指頻率為0.1-10THz的電磁波，它在電磁頻譜中位于微波和紅外輻射之間。由于太赫茲波段具有較低的光子能量、特異的穿透性和豐富的物質指紋譜等特性，使其可應用于無線通信、無損檢測、人體安檢、危化監測和醫學診斷等重要領域。在與太赫茲技術相關的諸多研究領域中，太赫茲輻射源^[1,2]的研究占據著關鍵位置。光電導天線^[3-5]作為目前最廣泛使用的脈沖太赫茲波發射器和探測器之一，備受研究者們的關注，它有著廣泛的應用價值，可以應用在高分辨率成像及材料的太赫茲頻譜分析等方面。太赫茲光電導發射天線的一種典型結構由光敏半導體基片和蒸鍍在其上面的一對共面傳輸線(金屬電極)組成，當用飛秒激光脈沖照射幾十微米寬的電極間隙時，在該區域產成大量的載流子，載流子在加載于金屬電極上的偏置電壓的作用下加速運動形成瞬態光電流，瞬態光電流會輻射出能量譜在太赫茲波段的脈沖信號。砷化鎵(GalliumArsenide,GaAs)是光電子學領域應用廣泛的重要半導體材料，由于GaAs具有遷移率高和暗電阻率高的優點，用GaAs制作出來的光電導開關速度更快，效率更高，擊穿電壓較高，因此常用GaAs作為光電導天線襯底材料^[6]。但由于GaAs在光波段的折射率較高，導致超過30％的入射脈沖光均被襯底層反射^[7]，限制了光電導天線輻射太赫茲的效率，這是砷化鎵光電導天線亟待解決的一個問題。

超材料的興起為研究者們提供了新的研究方法和思路，超材料是一種具有超常物理特性的人工電磁結構，特指由微觀單元排列而成、且能夠用等效本構參數描述的人工結構。超材料的單元尺寸和排列間隔(或周期)遠小于波長，因此得以對光波施加宏觀影響，其宏觀響應主要由單元本身的結構決定。眾多超材料結構中，尺度在納米量級的微結構陣列可以顯著的將光局部化并加強到深亞波長^[8]，這類超材料曾被集成在太赫茲光電導天線上，用于實現特定的功能：Sang-Gil Park等人^[9]研究了集成在光電導天線上的金屬納米島陣列，這些納米島作為離子納米天線局域化泵浦光，泵浦光大面積的局域場增強導致太赫茲輻射的增加。S.Ghorbani等人^[10]研究了金屬納米粒結構對硅-藍寶石太赫茲光電導天線的影響作用，通過在光電導天線間隙上設計金屬納米粒結構，將入射激光脈沖耦合到基底表面產生表面等離子體共振，增加基底的光吸收，因此增大光電流。Faezeh Fesharaki等人^[8]設計了離子納米結構作為光電導太赫茲輻射源的減反層實現某一特定波長的反射率達到10％以下，在金屬表面將場局域化。這些相關研究的特點是普遍采用了金屬材質制備納米量級的超材料，金屬在光波段較大的歐姆損耗會嚴重抑制納米離子共振，表面的氧化層也會改變納米結構的光學性質。最近，全介質超材料成為一種很有前景的替代金屬超材料的新方法，光敏半導體襯底作為一種非常易于加工的準電介質材料，還沒有被提出以之制備超材料陣列，發射太赫茲波。鑒于此點，本發明提出了一種技術方法—在光電導天線發射天線襯底上設計納米級柱狀陣列超材料，以提高光電導天線產生太赫茲波的性能。