一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件及制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件及制备方法，通过低温GaAs薄膜的剥离转移与键合技术，将太赫兹的产生与接收集成到同一基片上，具有体积小，重量轻，成本低，操作方便的特点。该器件的结构包括：光电导天线、金属波导和基底。光电导天线是由金电极、低温GaAs构成；金属波导是指传输太赫兹的微带线；基底由BCB介质、Au金属背板、硅基底构成。本发明专利技术解决了传统太赫兹时域光谱系统的空间占用问题，使系统各部分集成到同一基片上，同时测量过程中仅需极少量样品就能获得相应的信息。另一方面该发明专利技术减少了样品测量之前的太赫兹准直调节，使样品测量步骤更加简洁。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太赫兹
，具体涉及一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件及制备方法。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长在30～3000μm)之间的电磁波，其波段位于微波和红外之间。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，促进了太赫兹在光谱学和成像技术方面的广泛应用。太赫兹时域光谱系统是利用飞秒激光对光电导材料或电光材料进行激发，发射出的太赫兹脉冲被聚焦后，照射到样品上，太赫兹脉冲就被样品调制，携带了样品信息的太赫兹脉冲再次聚焦到探测器上，通过控制探测光和泵浦光的时间延迟来完成对整个太赫兹脉冲在时域上的相干测量。然后对绘制的太赫兹时域谱进行傅里叶变换，最后得到样品的频域信息。利用这种探测技术已经对大量的物质进行了频谱分析，例如在半导体、药品、生物分子的研究分析中，光谱学发挥着非常重要的作用。然而它具有如下的局限性：1、样品太大：由于太赫兹聚焦的光斑的大小由衍射极限决定，因此过小的样品会使太赫兹波漏掉。2、频谱分辨率低：光路中由于太赫兹反射器、探测器以及相干元件会使探测到的太赫兹脉冲有反射回波，而反射回波产生在主波之后，在对太赫兹脉冲进行傅里叶变换时，主波与反射回波之间的距离限制了时间窗口的长度，从而使傅里叶变换后的频谱分辨率受到影响，使得本该出现的样品吸收峰不易被发现。3、系统尺寸大：典型的太赫兹时域光谱系统主要部件包括如下部分：波长为800nm的飞秒激光器、太赫兹发射和接收部分以及准直聚焦光路，这使系统的尺寸很难缩小，无法实现便携。4、水的吸收：由于水中氢键的影响造成了水对太赫兹的强烈吸收，而系统对样品体积要求不能太小，这就对水溶性生物样品的太赫兹光谱提取造成了极大困难。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，解决了传统太赫兹时域光谱系统的空间占用问题；同时，该专利技术省去了样品测量之前太赫兹波的准直调节，使样品测量步骤更加简洁。一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，包括基底，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线以及用于探测太赫兹的光电导天线；其中，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线制备在基底上表面一侧，作为泵浦区；用于探测太赫兹的光电导天线制备在基底上表面的另一侧，作为探测区；泵浦区与探测区之间采用微带线(4)连接，泵浦区与探测区之间的微带线(4)上设置被测样品；所述光电导天线由金属电极(2)和作为半导体衬底的低温砷化镓薄膜(3)构成；低温砷化镓薄膜(3)制备在所述基底上表面，低温砷化镓薄膜的两侧各连接有一个金属电极(2)；所述泵浦区的两个金属电极(2)上加载偏置电压，微带线(4)的两端分别连接泵浦区和探测区的低温砷化镓薄膜(3)；泵浦区的低温砷化镓薄膜(3)上被入射的激光脉冲激励产生太赫兹脉冲后，微带线(4)将太赫兹脉冲传输至探测区，所述探测区的两个金属电极之间串接有电流探测器，对太赫兹脉冲进行探测。较佳的，所述基底从下至上包括硅衬底(9)、金属背板(8)、BCB介质(7)和聚酰亚胺(5)。较佳的，所述金属电极(2)采用金材料，两金属电极(2)间的距离为40μm。较佳的，所述微带线(4)贯穿泵浦区和探测区的低温砷化镓薄膜(3)，入射的激光脉冲光斑位于微带线(4)附近的低温砷化镓薄膜(3)上，所述光斑在两个金属电极(2)之间。较佳的，所述聚酰亚胺(5)的厚度为1μm；所述BCB介质(7)的厚度为20μm；所述金属背板(8)的厚度为300nm；所述硅衬底(9)厚度为700μm。较佳的，所述微带线(4)的尺寸为：宽度为30μm，厚度为200nm。一种单片集成器件中基底上制备低温砷化镓薄膜的方法，其特征在于，具体过程包括如下步骤：步骤1、低温砷化镓外延片的制备，具体为：首先在GaAs衬底上生长一层AlAs层，再生长Ga0.1Al0.9As层作为过渡层，然后生长低温砷化镓，之后生长Ga0.1Al0.9As层作为保护层，最后涂一层黑蜡(10)，由此在AlAs层之上形成AlGaAs-GaAs-AlGaAs的三明治结构的低温砷化镓薄膜；步骤2、低温砷化镓薄膜剥离与转移，具体为：首先利用RIE设备，采用反应离子刻蚀方法，将步骤1制备得到的低温砷化镓外延片中GaAs衬底以上的4层结构进行刻蚀，得到所需尺寸的矩形台；然后利用HF酸对AlAs进行腐蚀，使AlAs层上面的低温砷化镓薄膜脱离GaAs衬底；步骤3、低温砷化镓薄膜与基底的键合，具体为：首先将步骤2制备的低温砷化镓薄膜进行清洗，然后用夹持装置将低温砷化镓薄膜转移到基底上；然后去除黑蜡(10)，固化后，通过低温砷化镓薄膜与聚酰亚胺(5)材料之间的范德华力使低温砷化镓薄膜与基底键合在一起。较佳的，将低温砷化镓薄膜与基底键合在一起后，先通过PECVD设备在低温砷化镓薄膜周围生长SiO2作为钝化层，然后对SiO2钝化层光刻、腐蚀出分别用于设置金属电极(2)和微带线(4)的凹槽，在SiO2钝化层上溅射一层金属Au，最后采用lift-off技术对凹槽以外的SiO2钝化层进行腐蚀，完成金属剥离，形成金属电极(2)和微带线(4)。较佳的，所述基底制备的具体过程包括磁控溅射和甩胶两个部分；首先在700μm的硅衬底上采用磁控溅射的方法，溅射生长一层300nm厚的金属金；然后在金上面滴BCB5微克，再利用转速约为1000r/min的甩胶机将BCB涂匀，使得BCB厚度约为20μm；待BCB凝固后再涂一层厚度为1μm的聚酰亚胺。较佳的，所述步骤3中，步骤1中低温砷化镓外延片的制备过程如下：S01、采用分子束外延系统，首先将350μm厚的GaAs半导体衬底放在超高真空腔体中，然后分别将Al和As放入腔体内的喷射炉中，先加热半导体衬底达580℃，然后分别加热喷射炉中的Al和As，使得Al和As升华形成蒸汽，然后经过小孔准直后，形成原子束，直接将其喷射到GaAs半导体衬底上，生长出200nm厚的AlAs释放层；S02、然后在AlAs上生长三明治结构AlGaAs-GaAs-AlGaAs，其中过渡层与保护层Ga0.1Al0.9As的厚度均为50nm，具体生长步骤为：将生长有AlAs晶体的GaAs半导体衬底放于超高真空腔体中，将As、Al和Ga分别放入腔体内的喷射炉中，As、Al和Ga喷射炉蒸发出的原子束射到AlAs衬底表面，在AlAs衬底温度达到580℃时被表面吸附；控制Ga和Al的原子束流强度比为1：9，则生成Ga0.1Al0.9As膜；S03、之后生长中间层LT-GaAs其速度生长为1μm/h，厚度为2μm；生长温度为250℃，生长后在475℃下进行高温快速热退火2分钟；S04、最后参照步骤S02方法再次生长一层Ga0.1Al0.9As作为保护层，最后在上面涂一层40nm厚的黑蜡。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，通过低温GaAs薄膜的剥离转移与键合技术，将太赫兹的产生与接收集成到同一基片上，具有体积小，重量轻，成本低，操作方便的特点。该器件的结构包括：光电导天线、金属波导和基底。光电导天线是由金电极、低温GaAs构成；金属波导是指传输太赫兹的微带线；基底由BCB介质、Au金属背板、硅基底构成。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，包括基底，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线以及用于探测太赫兹的光电导天线；其中，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线制备在基底上表面一侧，作为泵浦区；用于探测太赫兹的光电导天线制备在基底上表面的另一侧，作为探测区；泵浦区与探测区之间采用微带线(4)连接，泵浦区与探测区之间的微带线(4)上设置被测样品；所述光电导天线由金属电极(2)和作为半导体衬底的低温砷化镓薄膜(3)构成；低温砷化镓薄膜(3)制备在所述基底上表面，低温砷化镓薄膜的两侧各连接有一个金属电极(2)；所述泵浦区的两个金属电极(2)上加载偏置电压，微带线(4)的两端分别连接泵浦区和探测区的低温砷化镓薄膜(3)；泵浦区的低温砷化镓薄膜(3)上被入射的激光脉冲激励产生太赫兹脉冲后，微带线(4)将太赫兹脉冲传输至探测区，所述探测区的两个金属电极之间串接有电流探测器，对太赫兹脉冲进行探测。

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，包括基底，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线以及用于探测太赫兹的光电导天线；其中，用于产生太赫兹脉冲的光电导天线制备在基底上表面一侧，作为泵浦区；用于探测太赫兹的光电导天线制备在基底上表面的另一侧，作为探测区；泵浦区与探测区之间采用微带线(4)连接，泵浦区与探测区之间的微带线(4)上设置被测样品；所述光电导天线由金属电极(2)和作为半导体衬底的低温砷化镓薄膜(3)构成；低温砷化镓薄膜(3)制备在所述基底上表面，低温砷化镓薄膜的两侧各连接有一个金属电极(2)；所述泵浦区的两个金属电极(2)上加载偏置电压，微带线(4)的两端分别连接泵浦区和探测区的低温砷化镓薄膜(3)；泵浦区的低温砷化镓薄膜(3)上被入射的激光脉冲激励产生太赫兹脉冲后，微带线(4)将太赫兹脉冲传输至探测区，所述探测区的两个金属电极之间串接有电流探测器，对太赫兹脉冲进行探测。2.如权利要求1所述的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，所述基底从下至上包括硅衬底(9)、金属背板(8)、BCB介质(7)和聚酰亚胺(5)。3.如权利要求1或2所述的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，所述金属电极(2)采用金材料，两金属电极(2)间的距离为40μm。4.如权利要求1或2所述的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，所述微带线(4)贯穿泵浦区和探测区的低温砷化镓薄膜(3)，入射的激光脉冲光斑位于微带线(4)附近的低温砷化镓薄膜(3)上，所述光斑在两个金属电极(2)之间。5.如权利要求1或2所述的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，
\t其特征在于，所述聚酰亚胺(5)的厚度为1μm；所述BCB介质(7)的厚度为20μm；所述金属背板(8)的厚度为300nm；所述硅衬底(9)厚度为700μm。6.如权利要求1或2所述的一种用于太赫兹时域光谱系统的单片集成器件，其特征在于，所述微带线(4)的尺寸为：宽度为30μm，厚度为200nm。7.一种权利要求2所述的单片集成器件中基底上制备低温砷化镓薄膜的方法，其特征在于，具体过程包括如下步骤：步骤1、低温砷化镓外延片的制备，具体为：首先在GaAs衬底上生长一层AlAs层，再生长Ga0.1Al0.9As层作为过渡层，然后生长低温砷化镓，之后生长Ga0.1Al0.9As层作为保护层，最后涂一层黑蜡(10)，由此在AlAs层之上形成AlGaAs-GaAs-AlGaAs的三明治结构的低温砷化镓薄膜；步骤2、低温砷化镓薄膜剥离与转移，具体为：首先利用RIE设备，采用反应离子刻蚀方法，将步骤1制备得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张聪，苏波，崔海林，何敬锁，范宁，张盛博，张存林，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11