[发明专利]一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法

说明书

本发明提出一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法，其中二氧化硅支撑层生长在硅衬底上；六氮五铌薄膜热敏层生长在二氧化硅支撑层上，通过设计圆环刻蚀窗口对二氧化硅支撑层和硅衬底进行光刻、刻蚀，形成六氮五铌微桥悬空结构；平面等角螺旋天线兼做耦合天线和电极层，位于六氮五铌薄膜热敏层上，平面等角螺旋天线的中心馈电结构和六氮五铌微桥两端直接相连。本发明通过设计平面等角螺旋天线结构，以及刻蚀工艺采用圆环图案的设计，解决了常规六氮五铌太赫兹微测辐射热计探测带宽低、平面等角螺旋天线结构中悬空微桥结构制备难的问题。

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

THz波段通常指的是频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，其波段在微波和红外光之问，属于远红外波段，有着丰富的物理和化学信息。同时，THz辐射的优点决定了它在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断地拓宽，它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域也有很大的应用潜力。

太赫兹探测分为相干探测和非相干探测两大类。相干探测技术通过非线性器件把太赫兹信号变换到易于探测的低频信号来处理，例如光电导天线采样法；非相干探测则是通过把太赫兹信号转化为直流电流或电压信号来探测，例如场效应晶体管探测器等。太赫兹研究难点在于，相比于光波，太赫兹光子能量低(1THz,4meV)，基于量子能级间电子跃迁的光子学技术无法适用；相比于微波毫米波，太赫兹波长短，基于固态电子学的器件微制造达到了工艺极限，同时其微米级装配精度给机械加工和封装集成带来了巨大挑战。也就是说基于光子学和固态电子学原理的探测器在1-10THz很难获得高灵敏度和宽带宽。因此，针对1THz以上的电磁波，基于热效应的太赫兹探测器备受关注，例如微测热辐射计和热释电探测器等，这种基于热效应的探测器具有原理上无带宽限制，制备工艺与硅基集成电路兼容，可获得多像元阵列等优点。

然而目前这些热效应探测器的灵敏度还不高(噪声等效功率在10^-10W/√Hz左右)。之前发明人研制的蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器(授权发明专利ZL202011205369.8)虽然具有较高的灵敏度，但是由于蝴蝶结天线的谐振特性，影响了探测器的响应带宽。平面等角螺旋天线输入阻抗小，与超半球硅透镜组成准光耦合探测器，可实现宽带探测。为减少热导，一般将热敏单元与衬底分离，基于集成平面等角螺旋天线由于热敏单元在天线两臂的中间，金属面较多，挡住了刻蚀区域，采用常规热敏单元两侧开孔侧向刻蚀的方法获得悬空微桥具有很大的难度，常常因为开孔区域小刻蚀不通，或者因为刻蚀时间长导致热敏单元被刻蚀等工艺难题，因此给规模化制备平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器带来了挑战。

发明内容

本发明的目的在于提出一种平面等角螺旋天线结构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：一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器，包括硅衬底、二氧化硅支撑层、六氮五铌薄膜热敏层、平面等角螺旋天线电极层，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，通过设计圆环刻蚀窗口对二氧化硅支撑层和硅衬底进行光刻、刻蚀，形成六氮五铌微桥悬空结构；所述平面等角螺旋天线电极层兼做耦合天线，位于所述六氮五铌薄膜热敏层上，平面等角螺旋天线的中心馈电结构和六氮五铌微桥两端直接相连。

进一步的，所述平面等角螺旋天线电极层采用自补型平面等角螺旋天线，天线部分与空气缝隙部分尺寸一致，螺旋圈数控制为1.5～2圈。

进一步的，中心馈电结构的天线两端间距和天线外径尺寸由期望天线工作频率决定，工作的下限频率f_L由天线整体半径R确定，具体计算关系为：上限工作频率f_H由馈电中心两端间距r₀确定，具体计算公式为：其中c为光速。