一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构及其制备方法，包括微桥，所述微桥的桥面上设置有亚波长吸收结构层，所述亚波长吸收结构层上刻蚀有金属圆盘和围绕金属圆盘的同心金属环，所述微桥包括衬底、设置在衬底上的驱动电路、驱动电路上设置的电路接口、设置在驱动电路和衬底上的牺牲层、自下而上依次设置在牺牲层上的带有桥面和桥腿的支撑层、与电路接口相连接的电极引线层、可露出电极引线接口的介质层、与电极引线接口相连接的氧化钒层和覆盖氧化钒薄膜的钝化层，所述亚波长吸收结构层设在钝化层上，本发明专利技术的微桥结构能实现太赫兹波段的探测与成像，具有多频吸收、吸收率高、偏振不敏感等优势。

A THz-wave detection micro-bridge structure with integrated sub-wavelength metal ring absorption structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构及其制备方法
本专利技术涉及太赫兹探测与成像
，具体涉及一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，THz)波指频率介于0.1～10THz(波长3mm～30μm)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间。因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。与其它波段的电磁波相比，太赫兹电磁波具有如下独特的性质：①瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级；②宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断；⑤穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，可用于对藏匿物体进行探测。太赫兹波的这些特点使其在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来由于自由电子激光器和超快激光技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展。太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹辐射信号具有举足轻重的意义。传统的非制冷红外焦平面阵列结构，理论上可以用于太赫兹波段的探测与成像。根据1/4波长理论，以辐射频率3THz为例，为充分吸收太赫兹辐射，非制冷红外焦平面阵列的光学谐振器高度应为25μm(入射辐射的1/4波长)。但这样的谐振腔高度在器件的制备上难以实现(传统非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度约为1.5～3μm)。若不改变谐振腔高度，其膜系结构对太赫兹辐射的吸收极低，使得信号检测的难度较大。在文献(F.Simoens,etc,“Terahertzimagingwithaquantumcascadelaserandamorphous-siliconmicrobolometerarray”,ProceedingsofSPIE,vol.7485,pp.74850M-1–74850M-9,2009)中，将基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列用于太赫兹成像，经过模拟和实验测量，探测单元的太赫兹辐射吸收率仅为0.16～0.17％。因此，目前常用的解决方法是：保持非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度不变，增加一层专门的太赫兹辐射吸收层在膜系结构的顶层上，以实现太赫兹辐射的探测与成像。AlanW.M.Lee等报道了采用160×120非制冷红外焦平面阵列进行实时、连续太赫兹波成像。敏感材料为位于氮化硅微桥上的氧化钒层。他们提出，为提高信噪比和空间分辨率，需改进焦平面阵列的设计，其中的主要工作是优化太赫兹辐射吸收材料(AlanW.M.Lee,etc,“Real-time,continuous-waveterahertzimagingbyuseofamicrobolometerfocal-planearray”,OpticsLetters,vol.30,pp.2563–2565,2005)。薄的金属或金属复合薄膜可以吸收太赫兹辐射，同时厚度低于50nm的膜厚对探测器的热容影响很小，利于高响应速率探测单元的制作，常用作太赫兹微阵列探测器的吸收层。N.Oda等采用基于氧化钒热敏薄膜的320×240和640×480非制冷红外焦平面阵列进行太赫兹辐射的探测。由于原有膜系结构对太赫兹辐射的吸收率仅为2.6～4％。因此，他们在膜系结构的顶层增加一层具有适当方块电阻的金属薄膜用作太赫兹辐射吸收层，将入射辐射频率为3THz时的噪声等效功率降至40pW(N.Oda,etc,“Detectionofterahertzradiationfromquantumcascadelaserusingvanadiumoxidemicrobolometerfocalplanearrays”,ProceedingsofSPIE,vol.6940,pp.69402Y-1–69402Y-12,2008)。将金属薄膜用作太赫兹辐射吸收层在文献(L.Marchese,etc,“Amicrobolometer-basedTHzimager”,ProceedingsofSPIE,vol.7671,pp.76710Z-1–76710Z-8,2010)中也有报道，通过优化金属吸收层的厚度可将太赫兹辐射吸收最大化。在专利201310124924.8中公开了一种红外-太赫兹双波段阵列探测器微桥结构及其制备方法，微桥结构的顶层为双层氧化钒层，下层氧化钒层为具有高电阻温度系数(TCR)的无相变氧化钒层，用作红外与太赫兹波段的敏感层，上层氧化钒层具有较低的相变温度，可发生半导体相-金属相的可逆相变，半导体相时与下层氧化钒层一起用作红外吸收层，相变为金属相后用作太赫兹辐射吸收层。然而金属薄膜的吸收率有限，理想情况下无支撑金属薄膜的太赫兹辐射吸收率最高只有50％，集成到微桥结构中的金属薄膜的吸收率更低，而制备天线吸收结构可以大幅提高微桥结构的吸收效率，理论上吸收率可以达到100％。同时，以上方法中的微桥结构均采用增加的一层材料单独用作太赫兹辐射吸收层。本研究小组在专利201510409891.0中公开了一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法，解决现有技术中金属薄膜的吸收率低，且只能单独用作太赫兹辐射吸收层的问题。该专利技术采用螺旋天线层(金属薄膜)同时作为光吸收层和电极引线层，采用位于螺旋天线层馈点处的小尺寸氧化钒层作为热敏感层，螺旋天线层具有吸收率高、可调谐、偏振探测等特点；螺旋天线层同时用作电极引线，可简化工艺、方便集成；氧化钒层热敏薄膜面积较小，具有较高的探测灵敏度；通过调整天线结构参数，可实现红外与太赫兹波段探测与成像。但该方法中，因螺旋天线层同时用作电极引线，受电极引线结构、宽度等的限制，天线种类与结构参数可调性较差。本研究小组在专利201610314140.5中公开了一种桥腿分离天线耦合微桥结构及其制备方法，该桥腿分离天线层制备在微桥结构探测单元的顶层。本专利技术包括衬底，设置在衬底上的驱动电路，驱动电路上设置的电路接口，设置在驱动电路和衬底上的牺牲层，自下而上依次设置在牺牲层上的带有桥面和桥腿的支撑层、与电路接口相连接的电极引线层、可露出电极引线接口的钝化层、与电极引线接口相连接的氧化钒热敏感层、馈点位于氧化钒处的天线层。天线层由桥面天线和桥腿天线组成，桥面天线在钝化层范围内结构、参数可调，桥腿天线形状与桥腿一致，在桥腿范围内宽度可调。所述桥腿分离天线耦合微桥结构具有天线独立可调、多频吸收、吸收率高、偏振探测等特点，用于红外与太赫兹波段探测与成像。但该方法中，受桥腿宽度的限制，桥腿天线调整范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，包括微桥(100)，其特征在于，所述微桥(100)的桥面上设置有亚波长吸收结构层(90)，所述亚波长吸收结构层(90)上刻蚀有金属圆盘(91)和围绕金属圆盘(91)的同心金属环(92)。

【技术特征摘要】
1.一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，包括微桥(100)，其特征在于，所述微桥(100)的桥面上设置有亚波长吸收结构层(90)，所述亚波长吸收结构层(90)上刻蚀有金属圆盘(91)和围绕金属圆盘(91)的同心金属环(92)。2.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，所述微桥(100)包括衬底(10)、设置在衬底(10)上的驱动电路(20)、驱动电路(20)上设置的电路接口(21)、设置在驱动电路(20)和衬底(10)上的牺牲层(30)、自下而上依次设置在牺牲层(30)上的带有桥面(41)和桥腿(42)的支撑层(40)、与电路接口(21)相连接的电极引线层(50)、可露出电极引线接口(51)的介质层(60)、与电极引线接口(51)相连接的氧化钒层(70)和覆盖氧化钒薄膜的钝化层(80)，所述亚波长吸收结构层(90)设在钝化层(80)上。3.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，所述亚波长吸收结构层(90)为铝、钨、钛、铂、镍、铬或任何一种它们的合金，其厚度为50～500nm。4.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，所述金属圆盘(91)位于微桥(100)的桥面中心，且直径为5μm～160μm。5.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，所述金属环(92)的个数为1～10个，所述金属环(92)的外径为10μm～180μm，宽度为1μm～30μm，间距为1μm～100μm。6.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，该微桥结构作为太赫兹微测辐射热计探测阵列的单元结构，其面积为(20μm×20μm)～(200μm×200μm)。7.根据权利要求1所述的一种集成亚波长金属环吸收结构的太赫兹波探测微桥结构，其特征在于，所述牺牲层(30)的材料为聚酰亚胺、二氧化硅、氧化的多孔硅和磷硅玻璃中的任一种；所述支撑层(40)由单层薄膜或多层薄膜构成，材料为二氧化硅或者氮化硅，支撑层(40)的厚度为0.1～1μm；所述电极引线层(50)为铝、钨、钛、铂...

【专利技术属性】
技术研发人员：苟君，牛青辰，王军，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51