一种太赫兹波探测器及其制备方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超材料及太赫兹探测
，尤其涉及一种太赫兹波探测器及其制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案：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。在本专利技术中，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，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志明，张也驰，熊成，蒋亚东，吴雪飞，王军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51