[发明专利]砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置及制造方法

说明书

本发明涉及太赫兹波发射装置，为提高纳米超材料对光电导天线性能的调制能力，实现增大光电流，提高天线的辐射功率和效率，同时减小飞秒激光在半导体中的趋肤深度，使载流子漂移运动方向更好的束缚在半导体表面。为此，本发明采用的技术方案是，砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置及制造方法，由纳米结构层、光电导天线和硅透镜构成，纳米结构层由固定间隔周期性排列的柱状单元结构组成，纳米结构层布设在光电导天线衬底层正面的两根平行金属电极中间，所述柱状单元的一端与衬底层相连；硅透镜贴在光电导天线衬底层背面。本发明主要应用于太赫兹波发射装置的设计制造场合。

技术领域

本发明是一种用于发射太赫兹波的砷化镓纳米柱阵列，该结构可用于太赫兹时域光谱系统发射极天线上，有望提高太赫兹时域光谱系统的太赫兹辐射功率和效率。具体讲,涉及用于发射太赫兹波的砷化镓纳米柱阵列。

背景技术

太赫兹波(Terahertz wave，THz wave)是指频率为0.1-10THz的电磁波，它在电磁频谱中位于微波和红外辐射之间。由于太赫兹波段具有较低的光子能量、特异的穿透性和丰富的物质指纹谱等特性，使其可应用于无线通信、无损检测、人体安检、危化监测和医学诊断等重要领域。在与太赫兹技术相关的诸多研究领域中，太赫兹辐射源^[1,2]的研究占据着关键位置。光电导天线^[3-5]作为目前最广泛使用的脉冲太赫兹波发射器和探测器之一，备受研究者们的关注，它有着广泛的应用价值，可以应用在高分辨率成像及材料的太赫兹频谱分析等方面。太赫兹光电导发射天线的一种典型结构由光敏半导体基片和蒸镀在其上面的一对共面传输线(金属电极)组成，当用飞秒激光脉冲照射几十微米宽的电极间隙时，在该区域产成大量的载流子，载流子在加载于金属电极上的偏置电压的作用下加速运动形成瞬态光电流，瞬态光电流会辐射出能量谱在太赫兹波段的脉冲信号。砷化镓(GalliumArsenide,GaAs)是光电子学领域应用广泛的重要半导体材料，由于GaAs具有迁移率高和暗电阻率高的优点，用GaAs制作出来的光电导开关速度更快，效率更高，击穿电压较高，因此常用GaAs作为光电导天线衬底材料^[6]。但由于GaAs在光波段的折射率较高，导致超过30％的入射脉冲光均被衬底层反射^[7]，限制了光电导天线辐射太赫兹的效率，这是砷化镓光电导天线亟待解决的一个问题。

超材料的兴起为研究者们提供了新的研究方法和思路，超材料是一种具有超常物理特性的人工电磁结构，特指由微观单元排列而成、且能够用等效本构参数描述的人工结构。超材料的单元尺寸和排列间隔(或周期)远小于波长，因此得以对光波施加宏观影响，其宏观响应主要由单元本身的结构决定。众多超材料结构中，尺度在纳米量级的微结构阵列可以显著的将光局部化并加强到深亚波长^[8]，这类超材料曾被集成在太赫兹光电导天线上，用于实现特定的功能：Sang-Gil Park等人^[9]研究了集成在光电导天线上的金属纳米岛阵列，这些纳米岛作为离子纳米天线局域化泵浦光，泵浦光大面积的局域场增强导致太赫兹辐射的增加。S.Ghorbani等人^[10]研究了金属纳米粒结构对硅-蓝宝石太赫兹光电导天线的影响作用，通过在光电导天线间隙上设计金属纳米粒结构，将入射激光脉冲耦合到基底表面产生表面等离子体共振，增加基底的光吸收，因此增大光电流。Faezeh Fesharaki等人^[8]设计了离子纳米结构作为光电导太赫兹辐射源的减反层实现某一特定波长的反射率达到10％以下，在金属表面将场局域化。这些相关研究的特点是普遍采用了金属材质制备纳米量级的超材料，金属在光波段较大的欧姆损耗会严重抑制纳米离子共振，表面的氧化层也会改变纳米结构的光学性质。最近，全介质超材料成为一种很有前景的替代金属超材料的新方法，光敏半导体衬底作为一种非常易于加工的准电介质材料，还没有被提出以之制备超材料阵列，发射太赫兹波。鉴于此点，本发明提出了一种技术方法—在光电导天线发射天线衬底上设计纳米级柱状阵列超材料，以提高光电导天线产生太赫兹波的性能。