一种基于凹形电极的太赫兹光电导天线

技术领域

本发明属于光电导天线技术领域，涉及一种太赫兹光电导天线。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波为频率介于0.1THz至10THz之间的电磁波，其波长在0.03mm到3mm范围内。THz的长波段与微波相重合，短波段与红外波相重合，与其它波段的电磁波相比，太赫兹因其位置的特殊性，在生物医学、安全检查和通信应用等领域都有着广阔的应用前景。

目前国内外对太赫兹光电导天线有着深入的研究，从中可以知道太赫兹光电导天线优点很多，但是光电导天线的辐射功率和转换效率较低，这个缺点限制了其实际应用。于是有很多的研究人员想方设法提高辐射功率和转换效率，其中得到了很多成果。尽管有很多方法提高辐射功率与转换效率，但是还存在以下几点问题：

(1)没有基于光斑为圆形来设计如何最大化利用光生载流子，使得边缘处的载流子没能得到有效利用；

因为光斑为圆形，所以边缘处电阻率高。而一般电极产生的电场集中在中间，而边缘处不是很大，因此边缘处的电荷漂移速度没有达到饱和值，从而边缘处光电流较小。

(2)没有考虑击穿电压，而只是通过增加电场方式来提高光电流和辐射功率；

因为基底为半导体，所以当场强很大时，基底的半导体材料有可能会被击穿而丧失功能使得器件永久性损坏。所以光电导天线偏置电压不能太高。光电导天线被击穿有两种情况：本征电击穿和热击穿。对横向半绝缘GaAs光电导开关而言,本征电击穿是材料两端所加电场高于表面击穿电场强度造成的,其表现为沿表面放电。在过高电场的作用下,产生热电子,热电子与材料分子发生剧烈碰撞,致使材料的结合键断裂,引起材料损坏。

(4)以上文献没有考虑到各点抗击穿能力不同。

电子陷阱俘获电子使场增加从而击穿半导体是半导体被击穿的主要原因，所以载流子浓度不一样则抗击穿能力不一样。因为光斑为圆形，且电场为高斯分布，所以不同区域的抗击穿能力不一样。若考虑各点的抗击穿能力，则有可能出现某点很容易被击穿，因此偏置电压不高，所以光电导天线的辐射功率会受到很大的影响。

2016年，Emadi等人设计了一种采用叉指形电极的光电导天线，采用叉指形电极的光电导天线产生的光电流为采用带状线电极的光电导天线的四倍。2017年，孔姣等人利用金属阵列等离子体作为光电导天线的电极，从而产生巨大的局部电场增强效应，使光吸收量为原来的1.8倍，提高了太赫兹光电导天线的光电转化效率。同理，2019年，MohammadBashirpour等人利用氧化锌纳米棒阵列激发局域表面等离子激元(SPPs)，使光电流大小为原来的6倍。2019年，李明德等人在金属板上引入单沟槽-狭缝结构，从而产生复合衍射倏逝波，使得局域电场增强了7倍，从而提高光电转换效率。2022年，Neil Irvin Cabello等人报道了在砷化镓上涂覆硅纳米线(SiNWs)的实验，由于涂覆硅纳米线的砷化镓反射率较低，因此光电流增加了三倍。

在上述设计中，Emadi等人设计的电极没有最大化利用边缘处的光生载流子，而其他方法与电极形状无关。基于上述问题，本文设计了一种新电极，其不仅增大了边缘处的光生载流子，且可以与其它方法结合使用。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于凹形电极的太赫兹光电导天线。本发明的技术方案如下：

一种基于凹形电极的太赫兹光电导天线，其包括：衬底层和金属电极层，所述衬底层设置在底部，衬底层上面为金属电极层；所述金属电极层采用两边开口且中间为口字型的凹形电极。采用凹形电极的原因：凹形电极椭圆弧部分上下两端相距较近，所以上下两端的电场强度更高而中间的电场强度较小，而凹形电极中间部分设置为曲率为0的直线，使得衬底左右两端与衬底中间部分的场强相差不大。又激光光斑的光强为中间大而四周小，因此凹形电极尽可能地让衬底各部分的光电流都大。传统电极在被击穿时，只有衬底中央部分光电流很大，而四周光电流较小，因此总的光电流不大；凹形电极在被击穿时，四周光电流也很大，所以总的光电流较大。

进一步的，所述衬底材料为低温砷化镓LT-GaAs，其参数如下：相对介电常数12.9，折射率实部3.697，折射率虚部0.069，磁导率1.26×10

进一步的，所述衬底层上面的金属层电极由金属金Au构成，电极厚度t＝0.2μm，折射率实部为3.697，折射率虚部为0.069，其轮廓线中的凹形部分为椭圆弧。

进一步的，所述两边开口且中间为口字型的凹形电极具体尺寸分别为：宽度w

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出一个基于凹形电极的光电导天线，其具有结构简单，便于加工的特点。(2)该发明相对于传统带状线电极具有功率更大，不易击穿的特点。(3)在加工方面，由于本器件的结构是基于电极形状所设计，现有加工工艺成熟，故加工方面无需担心。

本发明创新点是通过设计电极形状使其产生的静电场大小分布合理，从而使衬底每部分都有较大的光电流。而其它形状的电极都只是单纯让静电场大小增加，但是这样会让衬底被击穿，也即是在偏置电压不变的情况下让光电流增加，若偏置电压是可以调节的，其使天线处于临界击穿状态时，则相比于基于传统带状线电极的光电导天线，基于其它形状的电极的光电导天线光电流并未明显增加，甚至有些天线产生的光电流更小。

采用凹形电极的原因：凹形电极椭圆弧部分上下两端相距较近，所以上下两端的电场强度更高而中间的电场强度较小，而凹形电极中间部分设置为曲率为0的直线，使得衬底左右两端与衬底中间部分的场强相差不大。又激光光斑的光强为中间大而四周小，因此凹形电极尽可能地让衬底各部分的光电流都大。传统电极在被击穿时，只有衬底中央部分光电流很大，而四周光电流较小，因此总的光电流不大；凹形电极在被击穿时，四周光电流也很大，所以总的光电流较大。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例光电导天线设计方案示意图；

图2为光电导天线正视与俯视示意图；

图3为电极的椭圆弧轮廓线；

图4为光电导天线光电流随时间变化的曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提出的基于凹形电极的光电导天线，其结构如图1～2所示。

优选的，所述的光电导天线结构，从上至下依次为金属电极层和衬底层。

优选的，所述衬底材料为低温砷化镓(LT-GaAs)，其参数如下：相对介电常数12.9，折射率实部3.697，折射率虚部0.069，磁导率1.26×10

优选的，所述金属电极层形状为凹形。金属电极层紧贴底部衬底层。

优选的，所述金属图案层，材料为金，厚度为0.2μm，折射率实部为3.697，折射率虚部为0.069。

优选的，所述的金属图案层，如图2所示，具体尺寸分别为：宽度w

优选的，若偏置电压为30V，当光束要半径为2.5um，波长为800nm，平均功率为120mW的激光器照射在衬底时，在0.255ps时，光电流最大，其值为133uA。

优选的，基于新叉指形电极的太赫兹光电导天线的制作，其采用标准半导体微纳加工工艺。

第一步：设计电极结构。电极采用凹形结构，能够使电极产生的静电场大小分布为中间小而两端大；由于激光光斑的光强为中间大而四周小，所以衬底的外围部分不易击穿，因此使光斑外围处的静电场电场强度增大会增大光电流而不会被击穿。底部衬底层和顶端金属电极层均采用现有成熟设计方案实现。

第二步：采用丙酮或异丙酮清洗砷化镓衬底，除去衬底表面污渍。

第三步：采用电子束蒸发在砷化镓表面沉积一层20nm钛和一层200nm的金，其中钛层起着粘附剂的作用，增加金层和衬底层之间的粘附力。

第四步：在砷化镓衬底上旋涂一层光刻胶，在100℃的条件下烘烤2分钟。

第五步：用紫外光或电子束的照射使光刻胶本身的特性会发生改变；使用具有纳米图形结构的掩膜版进行热辅助紫外压印，使金属纳米层图案转移到角膜上，去除掩膜版。

第六步：采用等离子刻蚀，得到金属图案。

第七步：用去胶液清洗掉光刻胶。

采用凹形电极的原因：凹形电极椭圆弧部分上下两端相距较近，所以上下两端的电场强度更高而中间的电场强度较小，而凹形电极中间部分设置为曲率为0的直线，使得衬底左右两端与衬底中间部分的场强相差不大。又激光光斑的光强为中间大而四周小，因此凹形电极尽可能地让衬底各部分的光电流都大。传统电极在被击穿时，只有衬底中央部分光电流很大，而四周光电流较小，因此总的光电流不大；凹形电极在被击穿时，四周光电流也很大，所以总的光电流较大。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。