CN104143580A - 一种太赫兹波探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波探测器及其制备方法，用于太赫兹波段辐射探测，该太赫兹波探测器包括：顶层复合敏感薄膜层，以及位于顶层复合敏感薄膜层下的超材料金属空心十字吸收层，空心十字图形为中心对称图形，超材料金属空心十字吸收层在特定的太赫兹波段产生强烈的谐振吸收，有明显的吸收峰。同时由于中心对称的十字图形特性，对入射的太赫兹波的极化与偏振方向不敏感，对入射光方向不做特殊要求，同时，改变十字图形的尺寸可以调整超材料结构谐振吸收的频率范围，实现对某特定波段的最大吸收。该太赫兹波探测器可以对特定频段实现高吸收并且易于调整吸收频段，同时检测灵敏度较高，与MEMS工艺兼容，可进行阵列化生产，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及超材料及太赫兹探测技术领域，尤其涉及一种太赫兹波探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）频段是指频率从0.1THz到10THz（波长30μm~3mm），介于毫米波与红外光之剑的电磁辐射区域，由于缺少对太赫兹激励和检测的方法，人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，因此该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙，也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了太赫兹辐射在光谱学和成像技术方面的发展与应用。物质的太赫兹谱包含着丰富的物理和化学信息，与其它波段相比，太赫兹辐射在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面具有众多优点：1、太赫兹波量子能量和黑体温度相对较低，不易破坏被检测物质；2、太赫兹频率波段涵盖了许多生物大分子的振动和旋转频率，可获得有效的生物及材料信息；3、太赫兹波有很强的穿透性，许多常用非金属和非极性材料吸收较小，呈现透明状态，如陶瓷、布料、塑胶制品以及非极性溶液等，在安全检测领域与X射线探测呈互补趋势；4、太赫兹的脉冲带宽在皮秒量级，有效的抑制了背景噪声，时域频谱信噪比很高；5、瞬时带宽较宽，可以很好的适用于高速通信。太赫兹辐射在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域都有广阔的发展前景，同时在生物学、医学、微电子学、农业及安全检查领域也有很大的应用潜力。由此看来，开展针对太赫兹辐射的探测研究是具有重大实际意义的。
超材料（Metamaterial）是一种人工合成的结构，具有天然材料没有的复合结构，导致其拥有超常的电磁性质，近年来引起了广泛关注与研究。超材料由周期性的结构单元组成，其介电常数和磁导率可以人为设计，甚至可以达到负值。通过合理的设计，可以实现一些奇特的性质，例如负折射、完美透镜以及电磁隐身等。这些性能使超材料结构在隐身材料、天线、波导、能源领域都有广阔的应用前景。更重要的是，通过优化器件单元结构，基于超材料吸收结构的器件在太赫兹波段也能产生良好的响应，有效弥补了传统的红外材料在太赫兹波段吸收较差的劣势。
超材料结构是亚波长复合结构，电子在导电良好的金属（如Au或Cu）中震荡产生电磁响应，从而激发LC谐振和电偶极子谐振。通过改变结构尺寸和材料参数，可以人为设计介电常数和磁导率来产生吸收特定频率电磁辐射的超材料结构。2008年，Landy等（N. I. Landy, etc. “Perfect metamaterial absorber”, Physical review letters, 100(20), 207402, 2008）提出“完美”超材料吸收结构，该结构分为三层，分别为：顶层开口谐振环金属图形、中层介质层，以及底层的金属线条。理论上，每一层的厚度都远小于入射波波长，顶层图形对空气的阻抗几乎为零，即对电磁波反射为零，底层相对介质层来说阻抗无穷大，即电磁波透射为零。在理想情况下，超材料吸收结构对于电磁波几乎可以达到完全吸收。在此基础上，经过改进，Hu Tao（H. Tao, etc. “A metamaterial absorber for the terahertz regime: Design, fabrication and characterization”, Optics Express, 16(10): 7181-7188, 2008）将吸收频点调整到太赫兹波段，在1.125THz吸收率理论值可以达到98%，实验值达到70%。但是该结构的局限性在于对于入射波极化方向的要求，电场极化方向平行于金属环开口时吸收可达到70%，相反的极化时，吸收率只有27%。
由于太赫兹波的辐射能量很低，如果所采用的太赫兹波探测器对太赫兹波的吸收率低，对整体器件的性能就会造成影响。
因此，现有技术的太赫兹波探测器就存在对太赫兹波的吸收率低的技术问题。
发明内容
本发明实施例通过提供一种太赫兹波探测器及其制备方法，解决了现有技术中太赫兹波探测器对太赫兹波的吸收率低的技术问题，进而达到能够在特定的太赫兹段实现高吸收，并能将吸收转化为电学信号，为太赫兹成像探测提供基础。
本发明采用的技术方案：一种太赫兹波探测器，包括：顶层复合敏感薄膜层，以及位于顶层复合敏感薄膜层下的超材料金属空心十字吸收层，其中，空心十字图形为中心对称图形。
进一步地，顶层复合敏感薄膜层由上至下依次为顶层介质保护层、电极层、中层介质隔离层、热敏感层、底层介质支撑层构成。
进一步地，超材料金属空心十字吸收层包括三层超材料的金属空心十字图形层以及位于各金属空心十字图形层之间的介质层，其中，三层空心十字图形尺寸由上至下依次增大。
进一步地，所述太赫兹波探测器还包括底层反射层。
在本发明中，还提供一种太赫兹波探测器的制备方法，所述方法包括：
①在带有驱动电路的衬底上采用光刻及磁控溅射方法，形成底层反射层；
②在底层反射层表面采用混频溅射技术沉积底层介质层，在底层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成底层金属空心十字图形层；在底层金属空心十字图形层表面采用混频溅射技术沉积中层介质层，在中层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成中层金属空心十字图形层；在中层金属空心十字图形层表面采用混频溅射技术沉积顶层介质层，在顶层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成顶层金属空心十字图形层，其中，空心十字图形为中心对称图形；经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层；
③在步骤②形成的结构表面采用混频溅射沉积，形成底层介质支撑层；
④在底层介质支撑层上采用磁控溅射，形成热敏感层；
⑤在热敏感层上采用混频溅射沉积，形成中层介质隔离层；
⑥在中层介质隔离层上采用光刻及磁控溅射方法，形成电极层；
⑦在电极层上采用混频溅射沉积，形成顶层介质保护层；
⑧经过光刻和刻蚀形成顶层复合敏感薄膜层。
进一步地，在经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层时，顶层金属空心十字图形层尺寸小于中层金属空心十字图形层尺寸，中层金属空心十字图形层尺寸小于底层金属空心十字图形层尺寸。
进一步地，在经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层之后，在超材料金属空心十字吸收层上生长牺牲层，露出顶层金属空心十字图形层以及连接底层反射层的对角电极柱。
进一步地，在形成中层介质隔离层之后，所述方法还包括：
在位于中层介质隔离层上连通热敏感层预留电极孔，且在对应对角电极柱的位置预留连通电极柱的电极孔。
进一步地，在形成电极层时，电极层穿过电极孔和电极柱使得热敏感层与底层反射层电连接。
进一步地，在形成顶层介质保护层之后，释放牺牲层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明使用空心十字图形的超材料结构的太赫兹波探测器，通过设计可以使其在特定频段的太赫兹波高吸收的优点，然后通过复合敏感薄膜层将热吸收转化为电学输出，从而实现对太赫兹波的探测，该太赫兹波探测器利用了超材料结构的良好吸收特性以及复合敏感薄膜灵敏度高的特性，显著增强太赫兹波探测器的吸收率，与MEMS工艺兼容，可广泛应用于各种太赫兹探测与成像技术领域。
附图说明
图1为本发明实施例中太赫兹波探测器的结构示意图；
图2a为本发明实施例中形成底层反射层的示意图；
图2b为本发明实施例中形成底层金属空心十字图形层的示意图；
图2c为本发明实施例中形成三层超材料金属空心十字图形层及介质层的示意图；
图2d为本发明实施例中超材料金属空心十字吸收层的侧视图；
图2e为本发明实施例中超材料金属空心十字吸收层的俯视图；
图2f为本发明实施例中形成牺牲层的示意图；
图2g为本发明实施例中形成底层介质支撑层的示意图；
图2h为本发明实施例中形成热敏感层的示意图；
图2i为本发明实施例中形成中层介质隔离层的示意图；
图2j为本发明实施例中形成电极层的示意图；
图2k为本发明实施例中形成顶层介质保护层的示意图；
图2l为本发明实施例中形成顶层复合敏感薄膜层的示意图；
图3为太赫兹波探测器在太赫兹波段的反射、透射、吸收谱线的仿真图。
附图标记：1为衬底，10为底层反射层，20为超材料金属空心十字吸收层，21为底层介质层，22为底层金属空心十字图形层，23为中层介质层，24为中层金属空心十字图形层，25为顶层介质层，26为顶层金属空心十字图形层，27为牺牲层，28为对角电极柱，30为顶层复合敏感薄膜层，31为底层介质支撑层，32为热敏感层，33为中层介质隔离层，34为电极层，35为顶层介质保护层。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种太赫兹波探测器及其制备方法，解决了现有技术中太赫兹波探测器对太赫兹波的吸收率低的技术问题，进而达到能够在特定的太赫兹段实现高吸收，并能将吸收转化为电学信号，为太赫兹成像探测提供基础。
为了解决上述存在的太赫兹探测器对太赫兹波的吸收率低的技术问题，总体思路如下：
采用的太赫兹波探测器包括顶层敏感层，以及位于顶层敏感层下的超材料金属空心十字吸收层，由于该吸收层采用超材料的金属空心十字结构，是中心对称的结构，可以消除器件对入射的太赫兹波吸收的各向异性，消除入射波极化方向的干扰，使得该太赫兹波探测器适应各种入射情况，有效提高对太赫兹波的吸收率，便于对太赫兹波的探测。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明提供的一种太赫兹波探测器，如图1所示，包括三层结构部件，第一层，底层反射层10；第二层，位于底层反射层10上的超材料金属空心十字结构吸收层20；第三层，顶层复合敏感薄膜层30。
原理为，当太赫兹波入射顶层复合敏感薄膜层30并通过超材料金属空心十字结构吸收层20时，被超材料金属空心十字结构吸收层20充分吸收，并通过顶层复合敏感薄膜层30将太赫兹波转化为热能，最终将热能转化为电信号输出。
下面详细介绍第二层超材料金属空心十字吸收层20，该空心十字图形为中心对称图形，其中，该超材料金属空心十字吸收层20包括三层超材料的金属空心十字图形层以及对于各十字图形层之间的介质层，其中，十字图形层的三层空心十字图形尺寸由上至下依次增大。具体地，三层超材料的空心十字图形层为金、银、铝、钛、铂、铜、镍、铬及其合金当中的一种，厚度为0.01~1μm，其中，空心十字长度为5~100μm，线宽为1~10μm，而且，该三层十字图形层吸收峰值在1~4THz中的特定频点，也就是说，由于这三层十字图形层的十字尺寸由上至下依次增大，因此，三层吸收层分别针对1~4THz太赫兹波中的不同频点进行吸收。从而保证了对太赫兹波的充分吸收。位于三层十字图形层之间的介质层可以为聚酰亚胺薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜当中的任一种，介质层厚度为0.05~30μm。
下面介绍位于第二层超材料金属空心十字吸收层20上的顶层复合敏感薄膜层30，由于该顶层复合敏感薄膜层为多层复合敏感层构成，其中，由上至下依次为顶层介质保护层、电极层、中层介质隔离层、热敏感层、底层介质支撑层。热敏感层为具有高电阻温度系数的氧化钒、氧化钛或其他氧化物半导体中的任一种；顶层介质保护层、中层介质保护层、底层介质保护层可以单层或者多层薄膜组成，材料为聚酰亚胺薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、非晶硅薄膜当中的一种或多种，厚度在0.05~1μm。电极层为、银、铝、钛、铂、铜、镍、铬及其合金当中的一种或者多种，厚度在0.01~1μm之间。能够将第二层超材料金属空心十字吸收层20吸收的太赫兹波转化成热能，并将热能转化成电学信号进行输出。从而实现对太赫兹波进行有效探测。
最后介绍位于超材料金属空心十字吸收层20下方的底层反射层10。由于该底层反射层10为连续金属薄膜反射层，该金属薄膜反射层金属为金、银、铝、钛、铂、铜、镍、铬及其合金当中的任一种，其厚度为0.01~1μm，能够对上述超材料金属空心十字吸收层20未完全吸收的太赫兹波辐射进行反射，从而降低结构的透射率，使得该太赫兹波探测器能够充分吸收太赫兹波，实现对太赫兹波的探测。
基于相同的构思，本发明还提供一种太赫兹波探测器的制备方法，包括：具体步骤如下：
第一步骤，如图2a所示，在带有驱动电路的衬底1上采用光刻及磁控溅射方法，形成底层反射层10。
具体是选择硅片作为衬底1，并清洗衬底1表面，去除污垢，并用高纯氮气吹干备用，采用磁控溅射方法，形成底层反射层10，具体可以为金、银、铝、钛、铂、铜、镍、铬及其合金当中的一种制成的薄膜，溅射时间为1~20min，薄膜厚度为0.05~1μm。
第二步骤，如图2b所示，在底层反射层10表面采用混频溅射技术沉积，形成底层介质层21，在底层介质层21上采用光刻及磁控溅射方法制备底层金属空心十字图形层22；
具体地，在底层反射层10表面采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）及混频溅射技术沉积底层介质层21，该底层介质层可以是氮化硅，沉积厚度0.1~5μm之间，在该底层介质层21表面采用光刻工艺进行底层金属空心十字图形的制备，将反转光刻胶旋涂在衬底表面，放入烘箱前烘烤5~20min，温度设定在80~150摄氏度之间，接着进行掩膜曝光，曝光后在进行后烘烤，时间设置在5~20min，温度设定在80~150摄氏度之间，接着进行泛曝光出来，并通过显影得到金属空心十字图形，最后再进行坚膜烘烤，时间为5~20min，温度设定在80~150摄氏度，接着采用磁控溅射方法制备底层金属空心十字图形层22，具体为金属铝薄膜，当然还可以是金、银、钛、铂、铜、镍、铬及其合金当中的一种材质的薄膜，在本发明实施例中不再详细赘述了，溅射时间为1~20min，从而得到厚度为0.01~1μm之间的底层金属空心十字图形层22；
第三步骤，如图2c所示，在底层金属空心十字图形层22表面采用混频溅射技术沉积，形成中层介质层23，在中层介质层23上采用光刻及磁控溅射方法制备中层金属空心十字图形层24；
接着，在第四步骤，在中层金属空心十字图形层24表面采用混频溅射和沉积技术，形成顶层介质层25，在顶层介质层25上采用光刻及磁控溅射方法制备顶层金属空心十字图形层26。
具体地，在底层金属空心十字图形层22上使用PECVD以及混频溅射技术沉积中层介质层23，该中层介质层23的厚度在0.05~10μm范围内，接着在中层介质层23上采用光刻和磁控溅射工艺制备剥离出中层空心十字结构吸收层24，该中层金属空心十字图形层24厚度在0.01~1μm之间，接着在中层空心十字结构吸收层24上采用PECVD及混频溅射技术沉积上层介质层25，该上层介质层25厚度在0.05~30μm范围内，在上层介质层25上使用光刻和磁控溅射工艺制备剥离出顶层金属空心十字图形层26，其厚度在0.01~1μm。
第五步骤，如图2d所示，通过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层20。俯视图如图2e所示。
也就是，通过光刻与刻蚀工艺，刻蚀掉多余介质层，具体是氮化硅介质层，得到整体的超材料金属空心十字吸收层20。
在上述形成的超材料金属空心十字吸收层20中，顶层金属空心十字图形层26尺寸小于中层金属空心十字图形层24尺寸，中层金属空心十字图形层24尺寸小于底层金属空心十字图形层22尺寸。这样使得不同尺寸的吸收层对不同频点的太赫兹波进行吸收，拓宽了太赫兹波的吸收带宽，使得充分对太赫兹波进行吸收。
第六步骤，如图2f所示，在超材料金属空心十字吸收层20上生长牺牲层27，露出顶层空心十字结构吸收层26以及连接底层反射层10的对角电极柱28。
具体地，在超材料金属空心十字吸收层20上使用自动涂胶轨道进行牺牲层27的涂覆，具体为光敏聚酰亚胺材料，通过转速控制牺牲层27的厚度在0.1~10μm范围内，采用NIKON光刻机对牺牲层27进行曝光处理，曝光后进行显影过程，从而露出连通底层反射层10的对角电极柱28，接着，在将牺牲层27置于退火烘箱中进行处理，由于该牺牲层27具体为光敏聚酰亚胺材料，因此，在此为亚胺化处理，温度设置为阶段上升，最高温度在250~400摄氏度之间，恒温时间为30~120min，处理之后该牺牲层27厚度为0.1~10μm范围内。
第七步骤，如图2g所示，在牺牲层27上采用混频溅射沉积，形成底层介质支撑层31。
具体地，该底层介质支撑层31为氮化硅介质层，沉积厚度在为0.01~2μm之间。
第八步骤，如图2h所示，在底层介质支撑层31上采用磁控溅射，形成热敏感层32.
具体地，在底层介质支撑层31上使用磁控溅射，形成热敏感层32，具体是氧化钒热敏感薄膜,采用的溅射功率为100~500W之间，溅射时间在5~60min，退火温度在200~600摄氏度之间，氧化压在0.5%~10%之间，形成的热敏感层32厚度为0.01~1μm之间，最后对氧化钒薄膜进行光刻和刻蚀工艺，刻蚀出热敏感层32。
第九步骤，如图2i所示，在热敏感层32上采用混频溅射沉积，形成中层介质隔离层33，接着，在位于该中层介质隔离层33上连通热敏感层32预留电极孔A，且在对应对角电极柱28的位置预留连通电极柱28的电极孔。
第十步骤，如图2j所示，在中层介质隔离层33上采用光刻及磁控溅射方法，形成电极层34。
具体地，将反转光刻胶旋涂在中层介质隔离层33上，进行前烘烤5~20min，控制温度设定在80~150摄氏度之间，接着再进行一次坚膜烘烤，时间为5~20min，温度设定在80~150摄氏度之间，后采用磁控溅射方法制备电极层34，具体为NiCr电极薄膜，溅射时间在1~20min，获得厚度为0.01~1μm的电极层34。最后在丙酮溶液中浸泡，同时进行超声，剥离光刻胶，得到电极层34，该电极层34通过电极孔A，电极柱28将热敏感层32与底层反射层10电连接。
第十一步骤，如图2k所示，在电极层34上采用混频溅射沉积顶层介质保护层35。在该电极层34上采用PECVD及混频溅射技术制备顶层介质保护层35，具体是氮化硅介质层，其厚度在0.01~1μm范围内。
最后，如图2l所示，经过光刻和刻蚀形成顶层复合敏感薄膜层30，在形成顶层介质保护层35之后，释放牺牲层27。
具体地，使用氧气等离子体轰击器件，将牺牲层27释放，从而得到该太赫兹波探测器。
使用CST Microwave Studio电磁仿真软件对本发明所提出的超材料太赫兹探测器结构进行仿真计算，利用有限时域差分法（FDTD），得到探测器的反射与透射响应谱线，通过公式 可得吸收率谱线。如图3所示为实验例的仿真特性谱线，其中吸收峰中心频率为2.52THz，吸收率可达94%，吸收带宽约为0.25THz。表明超材料金属空心十字结构在该频段具有理想的吸收特性能，非常适合作为太赫兹波段探测器结构。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种太赫兹波探测器，其特征在于，包括：顶层复合敏感薄膜层，以及位于顶层复合敏感薄膜层下的超材料金属空心十字吸收层，其中，空心十字图形为中心对称图形。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于，顶层复合敏感薄膜层由上至下依次为顶层介质保护层、电极层、中层介质隔离层、热敏感层、底层介质支撑层构成。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于，超材料金属空心十字吸收层包括三层超材料的金属空心十字图形层以及位于各金属空心十字图形层之间的介质层，其中，三层空心十字图形尺寸由上至下依次增大。
4.根据权利要求2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括底层反射层。
5.一种太赫兹波探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
①在带有驱动电路的衬底上采用光刻及磁控溅射方法，形成底层反射层；
②在底层反射层表面采用混频溅射技术沉积底层介质层，在底层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成底层金属空心十字图形层；在底层金属空心十字图形层表面采用混频溅射技术沉积中层介质层，在中层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成中层金属空心十字图形层；在中层金属空心十字图形层表面采用混频溅射技术沉积顶层介质层，在顶层介质层上采用光刻及磁控溅射方法，形成顶层金属空心十字图形层，其中，空心十字图形为中心对称图形；经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层；
③在步骤②形成的结构表面采用混频溅射沉积，形成底层介质支撑层；
④在底层介质支撑层上采用磁控溅射，形成热敏感层；
⑤在热敏感层上采用混频溅射沉积，形成中层介质隔离层；
⑥在中层介质隔离层上采用光刻及磁控溅射方法，形成电极层；
⑦在电极层上采用混频溅射沉积，形成顶层介质保护层；
⑧经过光刻和刻蚀形成顶层复合敏感薄膜层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层时，顶层金属空心十字图形层尺寸小于中层金属空心十字图形层尺寸，中层金属空心十字图形层尺寸小于底层金属空心十字图形层尺寸。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在经过光刻和刻蚀形成超材料金属空心十字吸收层之后，在超材料金属空心十字吸收层上生长牺牲层，露出顶层金属空心十字图形层以及连接底层反射层的对角电极柱。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成中层介质隔离层之后，所述方法还包括：
在位于中层介质隔离层上连通热敏感层预留电极孔，且在对应对角电极柱的位置预留连通电极柱的电极孔。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在形成电极层时，电极层穿过电极孔和电极柱使得热敏感层与底层反射层电连接。
10.根据权利要9所述的制备方法，其特征在于，在形成顶层介质保护层之后，释放牺牲层。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |