一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法，其中芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；其中，辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面；绝缘增透层以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘。本发明专利技术提出的芯片及其制备方法可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，并改善辐射的方向性。

A terahertz antenna chip with radiation limiting frame structure and its preparation method

The invention relates to a terahertz frequency antenna chip with a radiation limiting frame structure and a preparation method thereof, wherein the chip comprises a substrate, a terahertz radiation material layer, an antenna structure, an insulating antireflective layer and a radiation limiting frame structure, wherein the radiation limiting frame structure exposes a part of the lower surface of the substrate and a terahertz radiation material. The upper surface of the material layer surrounds the chip substrate, and the part exposed on the lower surface of the substrate of the radiation limiting frame structure forms the back-side transmission area. The part exposed on the upper surface of the terahertz radiation material layer of the radiation limiting frame structure forms the front-side transmission area, and the back-side transmission area forms the radiation transmission area. Through the upper surface of the terahertz radiation material layer in the region, the insulation antireflective layer surrounds the antenna structure by exposing the antenna structure, and the radiation limiting frame structure and the antenna structure are electrically insulated from each other. The chip and its preparation method can realize the emission of terahertz radiation compactly and efficiently, and improve the directivity of radiation.

【技术实现步骤摘要】
一种具有辐射限制框结构的太赫兹天线芯片及其制备方法
本专利技术属于太赫兹频率天线领域，具体涉及一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着新材料和新技术的发展，特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹(Terahertz,1THz＝1012Hz)技术得以迅速发展，在全世界范围内也涌现了太赫兹技术的研究热潮。在可以预见的未来，太赫兹技术将在很多领域发挥很重要的应用，例如，药物工业中的监控与光谱分析、医疗成像、材料的光谱分析及其传感探测技术、公共安全以及超高速的电子路线与通讯等领域。现阶段太赫兹波发射源的发展是太赫兹技术中急需解决的关键技术之一。太赫兹波发射源主要基于三种技术路线：光学技术、电子学技术以及超快光电子学技术。光电导天线(PhotoconductiveAntenna,PCA)是目前广泛使用的太赫兹波发射源之一。目前，制作在基底上的天线在太赫兹频段时，基底的厚度通常与波长相等，有时甚至大于波长，导致产生表面波或基底模式。表面波或基底模式可导致光电导天线产生的太赫兹波的功率和效率较低、方向性差等问题。为了解决这一问题，在实际应用中，通常采用在光电导天线输出端加载硅透镜或者锥形喇叭结构这两种方法提高太赫兹波的功率，改善太赫兹波的方向性，但是这两种方法都不可避免地增加了天线的尺寸，增大了制作工艺的难度。
技术实现思路
为了解决上述光电导天线产生的太赫兹功率和效率较低、方向性差的问题，本专利技术提供了一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片及其制备方法，可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，并改善辐射的方向性。一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；其中，太赫兹辐射材料层位于衬底的上表面，衬底和太赫兹辐射材料层夹合而成的结构构成芯片基底；辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，天线结构与辐射限制框结构之间留有空隙；绝缘增透层位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，并以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘；绝缘增透层的外侧区域形成光学透过区。进一步地，绝缘增透层与辐射限制框结构之间留有空隙。进一步地，所述太赫兹频率天线芯片还包括绝缘保护层，绝缘保护层位于绝缘增透层和在太赫兹辐射材料层的上表面的辐射限制框结构的上方，并填充绝缘增透层与辐射限制框结构之间的空隙，绝缘增透层未被绝缘保护层覆盖的区域形成所述光学透过区。进一步地，背面透过区和正面透过区的形状是圆形或者方形，两者的形状相同或者不同；背面透过区和正面透过区的大小相同或者不同。进一步地，天线结构由多块金属电极组成。进一步地，天线结构具有偶极、蝶形、螺旋或多极的分布结构。进一步地，衬底和太赫兹辐射材料层之间设置有缓冲层，衬底、缓冲层和太赫兹辐射材料层构成芯片基底。进一步地，太赫兹辐射材料层上形成一个光照区，该光照区位于天线结构的中心间隙区。一种如前任一项所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：在衬底上生长具有大暗电阻、高载流子迁移率、载流子寿命低于亚皮秒量级的太赫兹辐射材料，形成太赫兹辐射材料层；光刻显影后，用电子束蒸发工艺在太赫兹辐射材料层表面淀积一定厚度的金属，并在金属剥离后形成天线结构；天线结构经退火处理与太赫兹辐射材料层形成欧姆接触；在太赫兹辐射材料层和天线结构的表面生长具有增透和绝缘保护作用的绝缘层；进一步光刻、显影、刻蚀、去残胶后，在太赫兹辐射材料层上围绕天线结构形成具有增透和绝缘保护作用的绝缘增透层；正面光刻显影后用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在太赫兹辐射材料层上形成正面透过区；去除光刻胶并减薄；在衬底背面光刻显影后，用电子束蒸发工艺淀积金属，在金属剥离后，在衬底上形成背面透过区，背面透过区形成辐射透过区；背面透过区和正面透过区有区域在垂直方向是重叠的；芯片解个后，在芯片侧面外围表面用电子束蒸发工艺淀积金属，除天线结构之外，正面、背面和侧面所沉积的金属相互连接，形成辐射限制框结构。进一步地，在形成正面透过区后，在正面透过区一侧光刻显影，制备绝缘保护层；正面透过区未被绝缘保护层覆盖的部分形成光学透过区。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的具有辐射限制框的太赫兹天线结构芯片及其制备方法，通过在天线结构外围设置金属辐射限制框，能够抑制或消除芯片基底厚度尺寸对辐射方向的影响，同时有助于提高辐射效率，可以紧凑、高效地实现太赫兹辐射的发射，探测，并改善辐射的方向性。附图说明图1是本专利技术提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的俯视图；图2是本专利技术提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片沿A-A的剖面图；图3a是本专利技术提出的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片的阻抗图；图3b是无辐射限制框结构的太赫兹天线芯片的阻抗图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本专利技术并不局限于附图和以下实施例。本专利技术提出了一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，如图1所示，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底1001、太赫兹辐射材料层1002、天线结构1003、绝缘增透层1004和辐射限制框结构1005。其中，太赫兹辐射材料层1002位于衬底1001的上表面，图1示出了衬底1001和太赫兹辐射材料层1002为方形结构，但本领域技术人员知晓，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002还可以为其他结构，例如扁圆柱形结构。衬底1001和太赫兹辐射材料层1002夹合而成的结构构成芯片基底。衬底1001和太赫兹辐射材料层1002之间可以夹设结构层，也可以不夹设结构层。当没有结构层时，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002构成芯片基底。优选地，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002相接触的表面尺寸相同。另外，衬底1001和太赫兹辐射材料层1002之间还可以夹设结构层，例如夹设缓冲层，此时衬底1001、缓冲层和太赫兹辐射材料层1002组成芯片基底。太赫兹辐射材料层1002可以是光电导体、电光晶体、半导体材料或者超导材料。半导体材料可以选用Si、GaAs、InP等半导体材料。太赫兹辐射材料层1002是太赫兹电磁辐射产生和探测的关键部件，性能良好的材料具有皮秒至飞秒量级的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击穿强度。衬底1001的材料可以与太赫兹辐射材料层1002的材料相同，也可以与太赫兹辐射材料层1002的材料不同。辐射限制框结构1005以露出衬底1001的部分下表面和太赫兹辐射材料层1002的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构1005在衬底1001的下表面露出的部分形成背面透过区1006，辐射限制框结构1005在太赫兹辐射材料层1002的上表面露出的部分形成正面透过区1007，背面透过区1006和正面透过区1007在垂直于衬底10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；其中，太赫兹辐射材料层位于衬底的上表面，衬底和太赫兹辐射材料层夹合而成的结构构成芯片基底；辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，天线结构与辐射限制框结构之间留有空隙；绝缘增透层位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，并以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘；绝缘增透层的外侧区域形成光学透过区。

【技术特征摘要】
1.一种具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，所述太赫兹频率天线芯片包括：衬底、太赫兹辐射材料层、天线结构、绝缘增透层和辐射限制框结构；其中，太赫兹辐射材料层位于衬底的上表面，衬底和太赫兹辐射材料层夹合而成的结构构成芯片基底；辐射限制框结构以露出衬底的部分下表面和太赫兹辐射材料层的部分上表面的方式包围芯片基底，辐射限制框结构在衬底的下表面露出的部分形成背面透过区，辐射限制框结构在太赫兹辐射材料层的上表面露出的部分形成正面透过区，背面透过区形成辐射透过区；天线结构位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，天线结构与辐射限制框结构之间留有空隙；绝缘增透层位于正面透过区内的太赫兹辐射材料层的上表面，并以露出天线结构的方式包围天线结构，辐射限制框结构与天线结构相互电绝缘；绝缘增透层的外侧区域形成光学透过区。2.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，绝缘增透层与辐射限制框结构之间留有空隙。3.根据权利要求2所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，所述太赫兹频率天线芯片还包括绝缘保护层，绝缘保护层位于绝缘增透层和在太赫兹辐射材料层的上表面的辐射限制框结构的上方，并填充绝缘增透层与辐射限制框结构之间的空隙，绝缘增透层未被绝缘保护层覆盖的区域形成所述光学透过区。4.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，背面透过区和正面透过区的形状是圆形或者方形，两者的形状相同或者不同；背面透过区和正面透过区的大小相同或者不同。5.根据权利要求1所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯片，其特征在于，天线结构由多块金属电极组成。6.根据权利要求5所述的具有辐射限制框结构的太赫兹频率天线芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：林琦，林中晞，徐玉兰，陈景源，苏辉，朱振国，薛正群，丘文夫，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：福建,35