一种双频率太赫兹带通滤波器.pdf

本发明一种双频率太赫兹带通滤波器，具体指一种基于半绝缘砷化镓表面采用镂空的互补型开口谐振环单元的双频率太赫兹带通滤波器的设计与制作，涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域。本发明采用互补型开口环共振单元的工作原理，通过调整C-SRR内径、外径、开口宽度、周期结构，实现表面等离子极化激元的共振，和电感-电容(LC)共振两种异常透射增强的方式，获得低频和高频共振。利用上述两种共振的电磁相互作用实现两个共振频率之间能量转换，从而使两个波段上达到相同透射强度的太赫兹输出。本发明具有利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，大大降低了制作成本。

1.  一种双频率太赫兹带通滤波器，其特征在于，在0.6mm厚半绝缘砷化镓表面，采用标准半导体器件微加工工艺，导致表面等离子极化激元激发和电感-电容共振两种物理过程共同作用，在不同频率上产生异常透射增强实现双频率THz带通滤波功能的周期性互补型开口环共振单元。

2.  如权利要求1所述的一种双频率太赫兹带通滤波器，其特征在于，所述周期性互补型开口环共振单元，单元结构在一个光滑金属面上，通过半导体微加工工艺实现镂空的带缺口的环状周期性结构，其周期性互补型开口环共振单元的外径与内径之间，除间隔以外部分都是镂空的。

3.  如权利要求1所述的一种双频率太赫兹带通滤波器，其特征在于，所述周期性互补型开口环共振单元的二维结构，单元周期为40μm、外径为16μm、内径为12μm、间隔宽度g范围在2μm到10μm。

4.  如权利要求1所述的一种双频率太赫兹带通滤波器，其特征在于，所述周期性互补型开口环共振单元的金属层结构，采用5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金材料做电极，半导体衬底采用半绝缘砷化镓。

5.  如权利要求1所述的一种双频率太赫兹带通滤波器的制作，其特征在于，所述标准半导体器件微加工工艺，如采用正胶工艺、热蒸发工艺、剥离工艺，制作金属层。

6.  如权利要求1或3所述的一种双频率太赫兹带通滤波器，其特征在于，所设计的双频率太赫兹带通滤波器的互补型开口谐振环结构，外径为16μm、内径为12μm、间隔宽度g为分别为2μm、5μm、10μm，C-SRR的单元周期为40μm，器件表面的C-SRR所覆盖的矩形区域10mm×10mm，面积为100mm²。

7.  如权利要求5所述的一种双频率太赫兹带通滤波器的制作，其特征在于，按照所述结构图型订购光掩膜版，然后采用正胶工艺在将光导天线图案转移到SI-GaAs上，具体流程如下：
第一步：将SI-GaAs衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干；
第二步：将干燥后的样品置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在周期性微结构表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm；
第三步：涂胶后的样品被放置与110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶；
第四步：将涂有光刻胶的样品转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版天线图形转移到样品上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干样品表面；
第五步：将干燥后的样品置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到 两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10^-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.2nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品；
第六步：剥离工艺包括步骤：将金属化后的样品浸泡在99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离半绝缘砷化镓表面，而未光刻胶保护的金属部分留在半绝缘砷化镓上，成为周期性互补型开口环共振单元。

一种双频率太赫兹带通滤波器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体指一种基于半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面采用镂空的互补型开口谐振环单元(C-SRR)的双频率太赫兹(THz)带通滤波器的设计与制作。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。相比于人们常见的超声波、X射线、中远红外来说，THz波具有非电离和相干特性，不会破坏被探测物质的内部结构及本征属性。常见的纸张、塑料、干燥木材，对THz电磁辐射接近透明，而金属或导电率很高的物体却能够有效反射THz波。由此，利用THz波成像可广泛用于机场、海关等地方的安全监测，比如探查隐藏的枪械、爆炸物、毒品等，而不会对人体造成伤害；在工业上还可以用于探测集成电路焊接的损伤，用于质量控制的手段。由此可见THz技术对我国国家安全、医学诊断，质量检测等领域具有重要的意义。
为实现THz技术的广泛应用，除了有效的产生和探测THz波以外，还包括如何对在空间中传播的THz波进行操控。在实际应用中,由于 应用环境噪声以及应用需要的限制等,需滤除不需要的频率范围和噪声,提高系统的性能,如：很多结构复杂的高分子化学品，生物医学制品，在某些特定波段具有指纹式的特征谱线，当待检物质组分复杂，对THz波吸收强度不一的情况下，需要用THz滤波器来祛除不需要的杂质信号。因而THz滤波器成为实现THz技术的广泛应用重要元件。
目前，随着太赫兹滤波器的研究不断深入,近些年来陆续提出以下不同的THz滤波器：
(一)基于光子晶体的太赫兹滤波器结构
其结构为两个成对出现的一维周期性结构——布拉格镜面，在两个布拉格反射镜之间插入温光材料,从而在一维光子晶体结构中引入缺陷,缺陷模式的存在使得原来结构形成的禁带中出现一个很窄的通带,频率落在窄通带范围内的光信号可以在上述结构中传输,实现了滤波功能。
(二)基于人工周期性结构的太赫兹滤波器
在电介质表面镀上一层金属薄膜,则当电磁波入射到金属和电介质交界面时,入射场沿介质表面传输,在表面形成表面等离子体(Surface Plasmon，简称SP)。如果在金属薄膜上打上周期性结构便可形成SP，对某一频率范围内的入射THz波具有非常高的传输系数,实现了中心频率可调的THz滤波器。
上述第一类方案，主要通过调节电介质材料的温度实现可调性，但工作频率固定，只能通过改变结构参数实现工作频率的调节，而且 有效频率一般在0.1THz到1THz之间，无法满足整个THz波段，且加工成本高、器件体积大。上述第二类方案，通过改变金属薄膜的形状可以改变滤波器的工作频率，在0.1THz到10THz之间透过率非常高，结构加工制作简单，使用成本低。传统表面等离子体周期性结构的太赫兹滤波器的结构是通过飞秒脉冲加工法在金属薄膜上打上不同形状的孔，如：矩形,圆形,椭圆形等，来实现的。近年来，超材料(Metamaterial)的出现，引入了开口谐振环单元(Split-Ring Resonantor，简称SRR)这一新结构。对于一个普通金属圆环在与其垂直的变化磁场中，会产生感应电磁场，但却并非谐振的系统。为了产生谐振加强磁响应，需要引入电容。因为电感和电容一起才能形成谐振电路(金属圆环可视为电感)。为此在金属环上加入一个缺口，就形成了电容，电荷会在两端积聚。这个开口谐振环就类比于一个带有电容的LC谐振电路。当开口谐振环的几何尺寸、金属材料、电介质衬底的三者的物理参数相互匹配后，就会对特定频率的THz波发生LC共振，从而获得很高的THz带阻滤波器。
上述两种THz滤波器基本上都只对特定频率的THz波响应，如：亚波长周期性金属结构中的表面等离子体(SP)共振的干涉相长效应，超材料的开口谐振环的LC共振频率取决于环开口大小和环内外直径。这使得上述设计仅对单一频率敏感。如何在保持器件能够高度集成的条件下，拓展THz滤波器的频率响应范围成为当前THz滤波器研究的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有太赫兹带通滤波器所存在的技术局限性和市场需求，提供一种双通道、高输出的太赫兹滤波元件，及其简单易行、成本低廉的制备方法。
本发明通过一种新的构造，即能实现SP共振，又同时能够导致LC共振，就能够在原理上达到双频率共振的特点。而一般亚波长小孔结构导致的SP共振，会对特定频率THz波产生异常透射，从而实现带通滤波功能；而超材料特有的开口谐振环结构导致的LC共振，对特定频率THz波产生吸收，从而实现带阻滤波功能。但如果简单地将两者合并在一起是无法实现双频率带通滤波功能的。据此，进一步提出将亚波长周期性小孔的几何结构按照开口谐振环的结构来设计，等于在镀金属薄膜电介质表面形成镂空的开口谐振环形状的孔。在物理上，只要存在周期性亚波长小孔阵列就能够实现SP共振，而如果小孔呈现开口谐振环形状，则按照物理学中的对称原理，原来电感作用区域转变为电容作用区域，而电容作用区域转变为电感作用区域，实现与普通开口谐振环功能的互补，而LC共振导致吸收变成异常透射增强。只要SP共振频率和LC共振频率不同，就能够实现双频率THz带通滤波的功能。采用互补型开口环共振单元的工作原理，通过调整C-SRR内径、外径、开口宽度、周期结构，实现表面等离子极化激元的共振，和电感-电容(LC)共振两种异常透射增强的方式，获得低频和高频共振。然后，利用上述两种共振的电磁相互作用实现两个共振频率之间能量转换，从而使两个波段上达到相同透射强度的太 赫兹输出。
根据上述思路和原理，本发明采用标准半导体器件微加工工艺在0.6mm厚半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面，制备周期性互补型开口谐振环单元(C-SRR)，导致表面等离子极化激元激发和电感-电容(LC)共振两种物理过程共同作用，在不同频率上产生异常透射增强来实现双频率THz带通滤波功能。
所述双频率太赫兹(THz)带通滤波器，其特点在于，所述周期性互补型开口谐振环单元(C-SRR)，单元结构是在一个光滑金属面上，通过半导体微加工工艺实现镂空的带缺口的环状周期性结构，其周期性互补型开口谐振环(C-SRR)的外径与内径之间，除间隔以外部分都是镂空的。
本发明一种双频率太赫兹带通滤波器的具体的设计与具体的制备流程包括：将激光加工后的SI-GaAs基片放入去离子水，在超声状态下清洗1分钟，干燥后在表面呈现周期性结构一侧旋涂光刻胶，按照正胶工艺，经过65秒曝光和45秒显影，将设计好的SRR图形转移到0.6mm厚的SI-GaAs基片上。紧接着将样品放入蒸发腔室中，再并通过热蒸发工艺将5nm钛和50nm金蒸镀到基底表面，蒸发过程中的真空度维持在10^-4mbar，蒸发厚度通过系统自带的膜厚监测装置时测。金属化后，样品放入丙酮溶液中浸泡12小时后，利用陶瓷镊子夹住样品，在丙酮溶液中缓慢晃动，丙酮腐蚀光刻胶后将额外的金属层剥离，而在含有周期性微结构一侧形成与设计图案一致的镂空的互补型开口谐振环(C-SRR)，并保持电极与半导体表面的欧姆接触特性。
上述双频率太赫兹带通滤波器的设计图案，其特点在于，所述互补型开口谐振环(C-SRR)结构如下：外径R＝16μm、内径r＝12μm、间隔宽度g为分别为2μm、5μm、10μm，C-SRR的单元周期为40μm，器件表面的C-SRR所覆盖的区域面积为100mm²的矩形区域(10mm×10mm)。
上述双频率太赫兹带通滤波器金属层的结构，其特点在于，5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金做电极材料。该电极满足欧姆接触条件，无需在蒸镀后进行退火处理。
上述双频率太赫兹带通滤波器的性能，其特点在于，当g＝2μm时，低频(f_l＝0.63THz)透射能量低于高频(f_h＝1.94THz)透射能量，当g＝5μm时，低频(f_l＝0.72THz)透射能量和高频(f_h＝1.96THz)透射能量近似相等，当g＝10μm时，低频(f_l＝0.78THz)透射能量高于高频(f_h＝1.99THz)透射能量。
本发明制备的产品通过以下手段进行性能表征：采用中国科学院赵红卫课题组自建的太赫兹时域光谱测量制作器件。该系统包括：Spectra-Physics Mai Tai SP型高能量超短脉冲激光，2对直径100mm、焦距100mm的镀金离轴抛物面镜用来聚焦自由空间中的太赫兹辐射，通过由一块200μm厚的<110>晶向的ZnTe晶体、1/4波片、Wollastom棱镜组成的电光采样系统表征出器件的太赫兹发射脉冲波形。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，大大降低了成本。采用Au/Ti电极成分 简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性和可集成性。
附图说明
图1为本发明双频率太赫兹带通滤波器的表面互补型开口谐振环微结构与器件剖面(图中黑色部分为金属层，空白部分为镂空的互补型开口谐振环微结构单元)；
图2为本发明双频率太赫兹带通滤波器的透射时域波形图；
图3为本发明双频率太赫兹带通滤波器的透射频谱图(通过对图3所示数据进行快速傅立叶变换Fast Fourier Transform得到)；
图4为本发明实施附图3的双频率太赫兹带通滤波器的在0.1THz到2.5THz波段的滤波特性图(其中虚线表示g＝2μm，实线表示g＝5μm，点线表示g＝10μm，情况下的滤波频谱特性)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细、清楚、完整的说明
本发明实施例。所述的一种双频率太赫兹带通滤波器(如附图1上半部分所示)，结构其中图中黑色部分为金属层，空白部分为镂空的互补型开口谐振环微结构单元。其中，网格区域代表SI-GaAs衬第、黑色方快部分代表50nm金，灰色方快部分代表5nm钛(如附图1下半部分所示)。其特点在于，所述周期性互补型开口环共振单元的二 维结构，单元周期为40μm、外径为16μm、内径为12μm、间隔宽度g在2μm到10μm的范围内变化，均可实现双频率太赫兹带通滤波器的功能。
进一步，所述的一种双频率太赫兹带通滤波器，其特点在于，所述所述周期性互补型开口环共振单元的金属层结构，采用5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金材料做电极，半导体衬底采用半绝缘砷化镓。
本发明双频率太赫兹带通滤波器的互补型开口谐振环(C-SRR)结构的制作，其中，所设计的双频率太赫兹带通滤波器的互补型开口谐振环(C-SRR)结构如下：外径R＝16μm、内径r＝12μm、间隔宽度g为分别为2μm、5μm、10μm，C-SRR的单元周期为40μm，器件表面的C-SRR所覆盖的区域面积为100mm²的矩形区域(10mm×10mm)。按照该结构图型订购光掩膜版，然后采用正胶工艺在将光导天线图案转移到SI-GaAs上，具体流程如下：
第一步：将将SI-GaAs衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物。然后用高压氮气将表面吹干。
第二步：将干燥后的样品置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在周期性微结构表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。
第三步：涂胶后的样品被放置与110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
第四步：将涂有光刻胶的样品转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版天线图形转移到样品上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干样品表面。
第五步：将干燥后的样品置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10^-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续50s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.2nm/s的蒸发率，持续250s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
第六步：将金属化后的样品浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离SI-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在SI-GaAs上，从而获得镂空的互补型开口谐振环(C-SRR)。
本发明高效太赫兹光导天线电极的金属层，其特点在于，5nm厚钛金属做粘结层，50nm厚金，能够与SI-GaAs形成欧姆接触，无需再次进行退火处理。
本发明双频率太赫兹带通滤波器的互补型开口谐振环(C-SRR)结构的性能。其特点在于，当g＝2μm时，低频(f_l＝0.63THz)透射 能量低于高频(f_h＝1.94THz)透射能量，当g＝5μm时，低频(f_l＝0.72THz)透射能量和高频(f_h＝1.96THz)透射能量近似相等，当g＝10μm时，低频(f_l＝0.78THz)透射能量高于高频(f_h＝1.99THz)透射能量。其在太赫兹时域光谱检测系统(THz-TDS)的脉冲透射特性(如附图2所示)，对应的频谱特性(如图3所示)，扣除SI-GaAs衬底吸收以后，器件在0.1THz到2.5THz波段整体的滤波性能(如附图4所示)。
综上所述，本发明具有利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，大大降低了成本。采用Au/Ti电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性和可集成性的特点。
鉴于利用THz波成像可广泛用于机场、海关等地方的安全监测，比如探查隐藏的枪械、爆炸物、毒品等，而不会对人体造成伤害；在工业上还可以用于探测集成电路焊接的损伤，用于质量控制的手段等。由此，本发明对我国国家安全、医学诊断，质量检测等领域应用提供了坚实的技术物质基础。