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CN108493581B - 一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器 - Google Patents

一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器。本发明通过将常规太赫兹天线结构的半导体衬底厚度从几百微米减小到几微米，以及把高介电常数的硅透镜替换成低介电常数的透镜，提高了金属天线的输入电阻，提高了匹配效率和方向性。所述太赫兹天线结构可以有效提高两到三倍的输出功率和探测灵敏度。当天线作为辐射源时，提高了输出功率；当天线作为探测器时，提高了探测灵敏度。

Description

一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器。
背景技术
太赫兹辐射是频率介于0.1THz-10THz的电磁波，其在安检、医疗、通讯等领域有着很大的应用前景。一直以来，发展高辐射强度的太赫兹源(辐射源)是太赫兹技术的关键技术之一。其中，以半导体材料为衬底的光电导天线技术具有室温工作、便携、价格低等优点。但是，由于半导体材料电阻率较高等原因，天线的光照间隙区的光电导体电阻一般在10000欧姆以上，而光电导天线的输入电阻远低于这个值，使得两者之间存在严重的阻抗失配。再加上为了将太赫兹辐射从较厚的衬底中耦合到空间中，需要在衬底中引入介电常数较高的硅透镜，这导致衬底具有较高的有效介电常数。而天线的输入电阻反比于衬底的有效介电常数，故进一步加剧了阻抗失配，最终导致天线总效率的降低。
以传统低温砷化镓为衬底的太赫兹天线结构为例，其低温砷化镓衬底厚度一般在300微米左右，并具有高达12.9的介电常数，由该太赫兹天线结构发出的太赫兹波很容易在其中发生全反射，大部分能量无法输出到自由空间中，并且方向性很差。为了将太赫兹波耦合到自由空间中，同时也为了提高方向性，一般是将吸收系数小、介电常数为11.9的高阻硅制成的硅透镜粘粘在上述低温砷化镓衬底背面。较厚的低温砷化镓和高阻硅组成的双层衬底虽然可以将太赫兹波藕合到自由空间中并能提高方向性，但是由于该双层衬底的有效介电常数高于11.9以上，大大减小了天线输入电阻。虽然提高了方向性，但不能解决太赫兹天线和光电导体之间的匹配效率低的问题。若要提高太赫兹天线的性能，需要同时具有较高的匹配效率和方向性。
发明内容
为了改善上述技术问题，本发明提出了一种太赫兹天线结构及包括该天线结构的辐射源和探测器，所述太赫兹天线结构具有较高的匹配效率和方向性，其可以有效提高两到三倍的输出功率和探测灵敏度。
本发明提供如下技术方案：
一种太赫兹天线结构，其包括金属天线、半导体衬底薄膜、低介电常数薄膜和透镜；其中，所述半导体衬底薄膜厚度为1～5微米；所述低介电常数薄膜和透镜的介电常数在2～3.5之间。
根据本发明，所述半导体衬底薄膜通过低介电常数薄膜与透镜相连；
根据本发明，所述低介电常数薄膜的厚度为200-400微米；
根据本发明，所述半导体衬底薄膜厚度为2～5微米；所述半导体衬底薄膜的厚度远小于太赫兹波长，减小了太赫兹波在其中发生全反射的几率，即消除了选用高介电常数硅透镜的必要性；并且由于衬底很薄，也起到了降低双层衬底有效介电常数的作用；
根据本发明，所述低介电常数薄膜和透镜的材质为聚酰亚胺、聚四氟乙烯等；所述材质的透镜具有对太赫兹波吸收系数小，并且介电常数低的特点；大大增加了天线输入电阻，故而减小了太赫兹天线和光电导体之间的阻抗失配；所述透镜的使用还提高了该太赫兹天线结构的方向性；
根据本发明，所述金属天线可以为太赫兹领域常用的各种天线，如偶极天线、蝶形天线或天线阵列等；
根据本发明，所述金属天线可以由金属蒸镀在半导体衬底薄膜上，所述金属可以为黄金、钛铂金、铝等的一种或多种；
根据本发明，所述半导体衬底薄膜可以为低温砷化镓、半绝缘砷化镓、InP(磷化铟)等的一种或多种；
根据本发明，所述透镜的形状没有特别的限定，其可以为本领域技术人员知晓的在太赫兹领域常规使用的透镜的形状即可，例如为超半球形、子弹形和喇叭形等结构；优选地，所述透镜由半球形和圆柱形组成的子弹形，所述圆柱形和半球形的半径相等；所述圆柱形和半球形满足如下关系式：
L＝AR/n；
其中，所述L为圆柱形的高；所述R为圆柱形和半球形的半径，取值在毫米量级到分米量级的范围内；所述A为系数，取值在0.8～1.2范围内；所述n为透镜的折射率。
本发明还提供一种辐射源，其包括上述的天线结构。
本发明所述太赫兹天线结构作为辐射源时，在金属天线两电极间加偏压，太赫兹波向透镜方向辐射。
本发明还提供一种探测器，其包括上述的天线结构。
本发明所述太赫兹天线结构作为探测器时，太赫兹波从透镜进入聚焦到天线上，使用锁相放大技术检测天线两电极的电压变化。
有益效果：
本发明通过将常规太赫兹天线结构的半导体衬底厚度从几百微米减小到几微米，以及把高介电常数的硅透镜替换成低介电常数的透镜，提高了金属天线的输入电阻，提高了匹配效率和方向性。所述太赫兹天线结构可以有效提高两到三倍的输出功率和探测灵敏度。当天线作为辐射源时，提高了输出功率；当天线作为探测器时，提高了探测灵敏度。
附图说明
图1是实施例1中太赫兹天线结构的整体结构侧视图；
图2是实施例1中的转移低温砷化镓薄膜的示意图；
图3是用CST软件模拟对比实施例1中太赫兹天线结构和传统天线结构的辐射波的场强。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
传统的太赫兹天线加工方法是先在300微米厚的半导体衬底上蒸镀金属天线后，然后直接在背后粘贴硅透镜。由于本发明所述结构的半导体衬底只有几个微米厚，传统的衬底减薄工艺就不再适用了，而需要用如下方法制备：首先，通过外延层转移技术，将半导体衬底薄膜从牺牲层上剥离下来，转移到低介电常数材料的衬底上。然后在半导体衬底薄膜上蒸镀金属天线。最后，在背后粘贴上低介电常数材料做成的透镜。具体结构如图1和图2所示。具体如下所述：
用分子束外延法，在(100)取向的半绝缘GaAs衬底上生长100nm厚的GaAs缓冲层。在GaAs缓冲层上生长3μm厚Al0.9Ga0.1As牺牲层。再生长3μm厚的低温GaAs层。500℃退火10分钟。将低温GaAs层与0.3mm厚的聚酰亚胺薄膜接触并轻压，使两者相键合。使用腐蚀液将Al0.9Ga0.1As牺牲层腐蚀掉，得到键合在聚酰亚胺薄膜上的低温砷化镓。在低温砷化镓上蒸镀金属天线，在300℃退火10分钟。将金属天线连同聚酰亚胺薄膜一同切割下来，用AB胶粘到半径为1毫米的子弹形聚酰亚胺透镜的圆心处。
为了检验本实施例的太赫兹天线结构对性能的提升效果，使用CST软件模拟了三种不同衬底下，使用相同的蝶形天线作为辐射源时的场强：一种为常用的300μm厚的GaAs加上半径1mm的子弹形硅透镜，一种为5μm厚的GaAs加上300μm聚酰亚胺薄膜，以及实施例1中5μm厚的GaAs加上半径1mm的子弹形聚酰亚胺透镜。在其他条件相同的情况下，模拟结果如图3。由图3可知，本发明的太赫兹天线结构比另外两种结构提升了两到三倍的辐射强度。由天线的互易原理可知，作为探测器时，也有相同的提升效果。
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 (8)

1.一种太赫兹天线结构，其包括金属天线、半导体衬底薄膜、低介电常数薄膜和透镜；其中，所述半导体衬底薄膜厚度为1~5微米；所述低介电常数薄膜和透镜的介电常数在2~3.5之间；
所述半导体衬底薄膜通过低介电常数薄膜与透镜相连；所述低介电常数薄膜的厚度为200-400微米；
所述透镜由半球形和圆柱形组成的子弹形，所述圆柱形和半球形的半径相等；所述圆柱形和半球形满足如下关系式：
L=AR/n；
其中，所述L为圆柱形的高；所述R为圆柱形和半球形的半径；所述A为系数，取值在0.8~1.2范围内；所述n为透镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述半导体衬底薄膜厚度为2~5微米。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述低介电常数薄膜和透镜的材质为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述金属天线为偶极天线、蝶形天线或天线阵列。
5.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述金属天线由金属蒸镀在半导体衬底薄膜上，所述金属为黄金、钛铂金、铝的一种或多种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的天线结构，其特征在于，所述半导体衬底薄膜为低温砷化镓、半绝缘砷化镓和InP（磷化铟）的一种或多种。
7.一种辐射源，其包括权利要求1-6中任一项所述的天线结构。
8.一种探测器，其包括权利要求1-6中任一项所述的天线结构。
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