CN210957258U - 一种太赫兹源装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于太赫兹源制备技术领域，具体涉及一种太赫兹源装置。该装置包括顶面和沿所述顶面的一侧形成的至少两侧面，所述侧面和所述顶面形成一容纳区；硅透镜，设置于所述容纳区内；PIN光电二极管，设置于所述顶面远离所述侧面的一侧；天线，设置于所述PIN光电二极管的两端，分别与其P接触区和N接触区相连。该装置具有高带宽、高增益、高信噪比、体积小、便携、低成本，能够在室温的条件下工作，且该装置具有空腔的支撑结构内设有半球硅透镜，结构简单、体积小、便于携带，且该半球硅透镜可以使天线产生的太赫兹波的波束更为紧凑，天线的增益变大，使太赫兹源更适合在实际生活中应用。
Description
技术领域
本实用新型属于太赫兹源制备技术领域，具体涉及一种太赫兹源装置。
背景技术
太赫兹波是位于电磁波频谱上0.1THz到10THz范围内的电磁波。太赫兹波具有诸多独特性能，使其在安全检查、医学成像和无线通信等应用研究领域都具有广泛的应用前景。
太赫兹源是THz科学技术发展的关键，也是其能够得到广泛应用的基础。然而，高性能THz辐射源的缺乏严重限制了THz技术的推广。近年来，国内外多家研究机构对多种太赫兹辐射源开展了研究，所涉及的THz产生技术一方面为利用电子学方法产生THz辐射：主要包括THz量子级联激光器；基于电子学振荡的THz辐射源，如耿氏振荡器及隧道二极管等。另一方面是利用光学方法产生THz波的技术，基于超短激光脉冲的光电导技术等。
量子级联激光器是一种重要的倍受青睐的太赫兹辐射源，这是因为它具有功率大、频谱范围广、重量轻、体积小、易于集成和转换效率高等优点。通过改变量子级联激光器有源波导的厚度提高腔内的光功率和模式限制因子，能够在5K下得到470mW脉冲输出功率，其最高工作温度可达122K[Brandstetter,M.,Deutsch,C.,Krall,M.,et al.AppliedPhysics Letters,2013,103:171113]；但量子级联激光器最大的障碍在于工作温度较低，与大规模应用的要求还相距较远。隧道二极管是一只Ge合金二极管，其P、N两侧均进行高掺杂[牛斌.SAM集成波长转换器及相关新器件研制]，这种二极管具有独特的IV特性，可与激光器集成以实现光双稳态或作为射频源，广泛应用于光电子领域；但对于隧穿效应器件来说，其谐振频率范围有限，无法实现较宽频带范围内太赫兹波的输出。光电导天线做太赫兹源具有结构简单、使用方便、辐射强度高等特点。性能良好的光电导天线采用的半绝缘半导体材料具有载流子寿命短、迁移率大和电阻率高的特点的[闫兴伟,魏志强&李春化.太赫兹科学与电子信息学报,2015,13:870–876]，使超快激光脉冲辐照光电导天线成为现在常用的产生太赫兹波的方法。但其存在频段不可调，能量转换效率低的问题。
为进一步促进太赫兹源的广泛使用，需要使太赫兹源同时具备高带宽、高增益、高信噪比、体积小、便携、低成本、室温工作。
发明内容
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的太赫兹源不能同时具有高带宽、高增益、高信噪比、体积小、便携、低成本、室温工作的优点，从而提供一种太赫兹源装置。
为此，本实用新型提供了以下技术方案。
本实用新型提供了一种太赫兹源装置，包括，
衬底，包括顶面和沿所述顶面的一侧形成的至少两侧面，所述侧面和所述顶面形成一容纳区；
硅透镜，设置于所述容纳区内；
PIN光电二极管，设置于所述顶面远离所述侧面的一侧；
天线，设置于所述PIN光电二极管的两端，分别与其P接触区和N接触区相连。
所述硅透镜为半球形；且所述硅透镜的圆形截面与顶面的下表面重合。
所述两侧面相对设置，并与所述顶面一体成型。
所述PIN光电二极管的光敏面直径为10-20μm。
所述侧面的高度不小于500μm；所述顶面的厚度为120-180μm。
所述硅透镜的的半径不小于250μm。
所述天线的厚度为1-2μm。
本实用新型技术方案，具有如下优点：
1.本实用新型提供的太赫兹源装置，该装置包括顶面和沿所述顶面的一侧形成的至少两侧面，所述侧面和所述顶面形成一容纳区；硅透镜，设置于所述容纳区内；PIN光电二极管，设置于所述顶面远离所述侧面的一侧；天线，设置于所述PIN光电二极管的两端，分别与P接触区和N接触区相连。本实用新型提供的太赫兹(THz)源装置具有高带宽、高增益、高信噪比、体积小、便携、低成本，能够在室温的条件下工作。该太赫兹源装置中，具有空腔的支撑结构内设有半球硅透镜，结构简单、体积小、便于携带，且该半球硅透镜可以使天线产生的太赫兹波的波束更为紧凑，天线的增益变大，使太赫兹源更适合在实际生活中应用。本实用新型以集成天线的PIN光电二极管(PIN PD)作为太赫兹源，可以使该装置具有较高功率、高增益、高信噪比的连续波THz信号，同时可在室温输出频率连续可调的THz信号，可以满足多种领域应用中的不同要求。本实用新型提供的太赫兹源装置可以有效的解决太赫兹源匮乏的问题。
该装置的工作原理为，两束不同频率的光通过光敏面入射到PIN PD中发生混频，产生太赫兹信号(太赫兹信号的频率为两束入射光频率之差)，通过天线辐射出去，由于衬底的折射率大于空气的折射率，因此太赫兹波向衬底方向辐射。
2.本实用新型提供的太赫兹源装置，PIN PD中本征区的材料为锗，可以使PIN光电二极管的小信号响应带宽达到45GHz；当加适当偏压后，锗本征区因有外加偏压而形成电场强度很高的空间电荷区，当光通过PIN PD的光敏面入射到PIN PD中时，被锗吸收，产生电子空穴对，电子和空穴分别被高强度电场拉向N接触区和P接触区，进而被P接触区和N接触区收集，再由P接触区和N接触区将电流输出，并馈电给天线；该装置中的天线可以产生宽频带、高带宽的太赫兹波。
含锗的太赫兹源装置可与CMOS工艺兼容，性能优良；半球硅透镜可采用光刻及刻蚀的方法形成，工艺难度低，对光刻精度要求不高，易实现。
本实用新型以单片集成方式制作的方法可以使太赫兹源装置的构紧凑、体积小、易操作，使后期产品芯片的尺寸可以远小于1cm2。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例1中太赫兹源装置的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例1中太赫兹源装置的正视结构示意图；
图3是本实用新型实施例1中太赫兹源装置的俯视结构示意图；
图4是本实用新型实施例1中太赫兹源装置的仰视结构示意图；
附图标记：
1-硅透镜；2-衬底；3-天线；4-PIN光电二极管；
2-1-顶面；2-2-侧面。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本实用新型，并不局限于所述最佳实施方式，不对本实用新型的内容和保护范围构成限制，任何人在本实用新型的启示下或是将本实用新型与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本实用新型相同或相近似的产品，均落在本实用新型的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种太赫兹源装置，其立体结构示意图见图1，正视结构示意图见图2，俯视结构示意图见图3，仰视结构示意图见图4；
该太赫兹源装置包括，
衬底2，包括顶面2-1和沿顶面的一侧形成的至少两侧面2-2，两侧面相对设置，与顶面一体成型，形成一容纳区；顶面的厚度为120-180μm，侧面的高度不小于500μm，本实施例中，衬底为硅衬底，衬底包括1个顶面和沿顶面的一侧形成的2个侧面，每个侧面的高度均为500μm，顶面的厚度为150μm。
硅透镜1，设置于容纳区内，本实施例中，硅透镜为半球形，且该硅透镜的圆面截面与顶面的下表面重合；硅透镜的半径不小于250μm，半球硅透镜的半径不大于侧面的高度；本实施例中，半球硅透镜的半径为400μm。
PIN光电二极管4，设置在顶面上远离侧面的一侧，包括P接触区、N接触区和本征区，具体地，本实施例中，PIN PD中本征区的材料为锗，P接触区的材料是掺杂有硼元素的硅，硼元素的掺杂浓度不小于1018cm-3，优选的，本实施例中硼元素的掺杂浓度1018cm-3；N接触区的材料是掺杂有磷元素的硅，磷元素的掺杂浓度不小于1019cm-3，优选的，本实施例中磷元素的掺杂浓度1019cm-3；PIN光电二极管的光敏面直径为10-20μm，优选的，光敏面直径为20μm。
天线，设置于PIN光电二极管的两端，与PIN光电二极管的P接触区和N接触区分别相连，其中，天线与P接触区通过P电极相连，同时与N接触区通过N电极相连，天线的厚度为1-2μm，本实施例中为2μm，天线的尺寸和形状可以根据使用要求设定，天线可以是但不限于蝶形天线、对数周期天线或谐振天线，可以根据使用要求进行调整，天线的材料为金等金属材料。
实施例2
本实施例提供了一种太赫兹装置的制备方法，包括如下步骤，
将硅衬底清洗干净，备用；
在PIN光电二极管内依次生长N接触区、本征区和P接触区，其中磷元素的掺杂浓度为1019cm-3，硼元素的掺杂浓度1018cm-3，经光刻、刻蚀后得到PIN光电二极管，即太赫兹源装置的探测器；
然后采用电镀的方法在支撑结构顶部上表面溅射一层钛金种子层，使其形成厚度为1μm的金，通过光刻刻蚀的方法进行图形化处理形成天线，使其形成蝶形；天线可以是但不限于蝶形天线、对数周期天线或谐振天线，可以根据使用要求进行调整；
支撑结构顶部上表面保护后，在硅衬底下方旋涂一层胶，进行光刻，保留部分胶进行图形化处理，使多余的胶被显影去除，通过回流使胶的表面呈球形，然后胶掩蔽进行硅衬底刻蚀，胶边缘的位置最薄，掩蔽材料刻蚀的深度最大，胶中心的位置最厚，掩蔽材料刻蚀的深度最小，使硅衬底内部形成半球状，即硅透镜，同时使硅衬底形成具有空腔的支撑结构，支撑结构包括顶部和侧部，半球硅透镜内设于空腔内。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种太赫兹源装置，其特征在于，包括，
衬底，包括顶面和沿所述顶面的一侧形成的至少两侧面，所述侧面和所述顶面形成一容纳区；
硅透镜，设置于所述容纳区内；
PIN光电二极管，设置于所述顶面远离所述侧面的一侧；
天线，设置于所述PIN光电二极管的两端，分别与P接触区和N接触区相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述硅透镜为半球形。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述两侧面相对设置，并与所述顶面一体成型。
4.根据权利要求1所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述PIN光电二极管的光敏面直径为10-20μm。
5.根据权利要求1所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述侧面的高度不小于500μm；所述顶面的厚度为120-180μm。
6.根据权利要求1所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述硅透镜的半径不小于250μm。
7.根据权利要求1所述的太赫兹源装置，其特征在于，所述天线的厚度为1-2μm。
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Cited By (3)
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| CN114709594A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-07-05 | 北京邮电大学 | 一种圆极化太赫兹辐射源及激发方法 |
| WO2023083000A1 (zh) * | 2021-11-12 | 2023-05-19 | 同方威视技术股份有限公司 | 太赫兹探测装置的制造方法及探测设备 |
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