[发明专利]蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器及其制备方法

说明书

本发明提出了一种蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器，包括：硅衬底、二氧化硅支撑层、六氮五铌薄膜热敏层、电极层，所述二氧化硅支撑层生长在所述硅衬底上，所述六氮五铌薄膜热敏层生长在所述二氧化硅支撑层上，形成六氮五铌纳米桥结构，所述电极层兼作耦合天线，包括两组电极和蝴蝶结天线，位于所述六氮五铌薄膜热敏层上，所述蝴蝶结天线末端分别与一组电极相连，蝴蝶结天线尖端和所述六氮五铌纳米桥两端直接相连。本发明中的热敏薄膜探测单元尺寸在一百纳米以下，其与天线尖端接触部分尺寸也在一百纳米以下,通过天线与六氮五铌薄膜的接触连接形状设计将器件的热导减少至极限水平，显著提高了器件的灵敏度和响应速度。

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波，介于微波和红外之间，它的波段能够覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱，所以利用THz波可以获得丰富的生物及材料信息。此外，太赫兹波具有量子能量低、许多非金属非极性材料对THz波吸收较小的特点，因此THz技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、大气与环境监测、以及医学诊断等领域。但是由于缺乏高效的太赫兹辐射源、探测器及功能器件，太赫兹频谱资源尚未被充分开发利用，因此研究高效的太赫兹辐射源和探测技术至关重要。

目前太赫兹光源的辐射功率普遍偏低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测器极其重要。由于太赫兹能量较低，对太赫兹信号的接收很容易受到环境噪声的影响，因此传统的高灵敏太赫兹探测器通常需要在低温下工作，其结构复杂、体积大、制作成本也高，因此研发可室温工作的太赫兹探测器己成为太赫兹探测技术的研究热点。

常见的可室温工作的太赫兹探测器主要有微测辐射热计、热释电探测器、高莱探测器等几种类型，其中微测辐射热计因具有结构简单、成本低、易于与硅基集成电路兼容、可制备多像元阵列器件等诸多优点，受到了广泛关注。但是它响应速度较慢，约为几十毫秒，这不利于高速成像和通信，而且它的灵敏度相较于低温工作的太赫兹探测器较低，还有待大幅提高。

微测辐射热计属于热敏器件，通过将外界吸收的有限功率转换为有效热能进行工作，因此，转换效率是决定器件性能好坏的重要因素。通过检索现有文献发现，现有研究多从电磁场方面考虑，即从天线耦合效率入手，提高天线耦合至热敏单元的能量，进而提高器件灵敏度和响应速度。偶极子天线和蝴蝶结天线均有较强的电磁耦合能力，但由于蝴蝶结天线的输入阻抗较平面偶极子天线小，很难满足器件整体阻抗匹配(太赫兹探测器输入阻抗通常大于1k欧姆)，因此，太赫兹探测器中多采用偶极子天线。例如，Tu Xue-Cou等人在Chinese Physics B 上发表了题名为Nb₅N₆ microbolometer arrays for terahertzdetection的一篇文章，文中的室温六氮五铌太赫兹探测器由硅衬底、二氧化硅层、金电极层、六氮五铌薄膜热敏层四部分组成，文中所使用的天线为金薄膜平面偶极子天线，制备的微桥有3μm×3μm，3μm×6μm和3μm×12μm三种尺寸，在0.28THz达到了最大 580V/W的光学电压响应率，对应的NEP为相较于之前报道中的一些常温太赫兹探测器有所提高。但是，通过仿真发现，工作在太赫兹波段的平面偶极子天线末端尺寸一般在10微米左右，热敏单元和天线相连时，接触面积较大，电磁耦合转化而来的热能会很快通过偶极子天线散失掉，也就是说，从外界耦合到的热能并不能被充分利用。因此，探测器的灵敏度仍有提高的空间。

发明内容

本发明的目的在于提出一种蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器，包括硅衬底、二氧化硅支撑层、六氮五铌薄膜热敏层、电极层，所述二氧化硅支撑层生长在所述硅衬底上，所述六氮五铌薄膜热敏层生长在所述二氧化硅支撑层上，形成六氮五铌纳米桥结构，所述电极层兼作耦合天线，包括两组电极和蝴蝶结天线，位于所述六氮五铌薄膜热敏层上，所述蝴蝶结天线末端分别与一组电极相连，蝴蝶结天线尖端和所述六氮五铌纳米桥两端直接相连。