一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源

摘要

一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源，在圆柱形透镜的下表面设置有由多个RTO发射单元构成的RTO矩阵，RTO矩阵位于圆柱形透镜下表面的圆心处。RTO矩阵是由2×2～32×32个RTO发射单元构成的矩阵。本发明形成波导的宽度与振荡器的宽度不同，在振荡器与波导之间形成驻波。RTD位于通过热沉与振荡器的上电极相连，同时可以通过改变RTD在振荡器中的位置，来实现振荡器在不同频段的振荡。波导由于传输高频电磁波，并且损耗极小，太赫兹波经过波导后最终进过缝隙天线或矩形微带贴片天线发射出去，这样就实现了芯片之间的水平或垂直通信。在当前的工艺条件下，无需增加工艺难度，即可将RTO的功率提高十几倍至几十倍。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波源。特别是涉及一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫 兹波源。

背景技术

由于0.3—10太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因 此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括 邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。 要实现以上技术必须提供功率较大的太赫兹波源或太赫兹发生器，同时要配备经济而高质量 的太赫兹波检测器和成像设备包括太赫兹照相机。

由于太赫兹波处于远红外波段，其热效很强，故其探测器基本上可分为两类，一类属于 利用其热效应制成的探测器，如热功率计(bolometer)、热电探测器(pyroelectric detector) 等；另一类是利用其光波性质的探测器，如光电探测器(photo-conductive detector)和肖特基 二极管(SBD)等。而这些探测器应用的前提是有一个大功率的太赫兹波源充当光源。

单管太赫兹波源由于结构限制，功率有限，而且想要提高单管的太赫兹波源的功率对设 计和工艺的要求都非常高，以目前的工艺条件很难达到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制作方便的具有新型材料结构的圆柱形透镜矩 阵太赫兹波源。

本发明所采用的技术方案是：一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源，包 括有圆柱形透镜，所述的圆柱形透镜的下表面设置有由多个RTO发射单元构成的RTO矩阵， 所述的RTO矩阵位于圆柱形透镜下表面的圆心处。

所述的RTO矩阵是由2×2～32×32个RTO发射单元构成的矩阵。

所述的RTO发射单元包括有超窄双阱的RTD器件，所述的超窄双阱的RTD器件的集电 区金属电极上连接有第一微带贴片天线，所述的超窄双阱的RTD器件的发射区金属电极上连 接有第二微带贴片天线，所述的第一微带贴片天线和第二微带贴片天线的上端面位于同一水 平面上，所述的超窄双阱的RTD器件分别与所述的第一微带贴片天线之间的空间以及与第二 微带贴片天线之间的空间均填充有二氧化硅钝化层，所述的超窄双阱的RTD器件包括有由下 至上依次形成的衬底、缓冲层和发射区电极接触层，所述发射区电极接触层上分别形成有发 射区和发射区金属电极，所述发射区上由下至上依次形成有发射区隔离层、第一势垒、第一 势阱、子势阱、第二势阱、第二势垒、集电区隔离层、集电区、集电区电极接触层和集电区 金属电极。

所述的衬底为半绝缘InP衬底，厚度为100－300μm，所述的缓冲层由In_0.53Ga_0.47As层构 成，厚度为200nm。

所述的发射区电极接触层、发射区、集电区和集电区电极接触层是由掺Si浓度达到 2*10¹⁹cm^-3In_0.53Ga_0.47As层构成，其中发射区电极接触层的厚度为400nm，发射区的厚度为 20nm，集电区的厚度为15nm，集电区电极接触层的厚度为8nm。

所述的发射区隔离层厚度为2nm。

所述的第一势垒和第二势垒是由AlAs层构成，厚度为1.2nm。

所述的第一势阱、第二势阱和集电区隔离层是由In_0.53Ga_0.47As层构成，其中，第一势阱 和第二势阱的厚度为1.2nm，集电区隔离层的厚度为2nm。

所述的子势阱是由InAs层构成，厚度为1.2nm。

所述的集电区金属电极和发射区金属电极材质为金属，厚度均为100-300nm。

本发明的一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源，形成波导的宽度与振荡 器的宽度不同，在振荡器与波导之间形成驻波。RTD位于通过热沉与振荡器的上电极相连， 同时可以通过改变RTD在振荡器中的位置，来实现振荡器在不同频段的振荡。波导由于传输 高频电磁波，并且损耗极小，太赫兹波经过波导后最终进过缝隙天线或矩形微带贴片天线发 射出去，这样就实现了芯片之间的水平或垂直通信。在当前的工艺条件下，无需增加工艺难 度，即可将RTO的功率提高十几倍至几十倍。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的断面结构示意图；

图4是本发明中圆柱形透镜的结构示意图；

图5是本发明中RTO发射单元的俯视图；

图6是RTO发射单元的断面结构示意图；

图7是本发明中超窄双阱的RTD器件的断面结构示意图；

图8是本发明中超窄双阱的RTD器件的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源 做出详细说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫 兹波源，包括有圆柱形透镜A，所述的圆柱形透镜A的下表面设置有由多个RTO发射单元构 成的RTO矩阵B，所述的RTO矩阵B位于圆柱形透镜A下表面的圆心处。所述的RTO矩阵 B是由2×2～32×32个RTO发射单元构成的矩阵。

本发明的一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源，由多个单管RTO组成大 面积单片集成芯片(面积范围从100μm×100μm到2mm×2mm)，然后通过光学透镜(硅，聚合物 或陶瓷)和金属反射镜将多个发射单元聚焦，提高总的发射功率，这种总的太赫兹波是多种频 率或不同相位发射单元辐射的合成频谱。

如图5、图6所示，所述的RTO发射单元包括有超窄双阱的RTD器件1，所述的超窄双 阱的RTD器件1的集电区金属电极上连接有第一微带贴片天线2，所述的超窄双阱的RTD器 件1的发射区金属电极上连接有第二微带贴片天线3，所述的第一微带贴片天线2和第二微 带贴片天线3的上端面位于同一水平面上，所述的超窄双阱的RTD器件1分别与所述的第一 微带贴片天线2之间的空间以及与第二微带贴片天线3之间的空间均填充有二氧化硅钝化层 4。

所述的第一微带贴片天线2和第二微带贴片天线3均可以选择矩形微带贴片天线，蝴蝶 结形微带贴片天线，还可以是锥形缝隙天线或失调馈送缝隙天线等。

如图7、图8所示，所述的超窄双阱的RTD器件1包括有由下至上依次形成的衬底11、 缓冲层12和发射区电极接触层13，所述发射区电极接触层13上分别形成有发射区14和发 射区金属电极115，所述发射区14上由下至上依次形成有发射区隔离层15、第一势垒16、 第一势阱17、子势阱18、第二势阱19、第二势垒110、集电区隔离层111、集电区112、集 电区电极接触层113和集电区金属电极114。其中，述的衬底11为半绝缘InP衬底，厚度为 100－300μm，所述的缓冲层12由In_0.53Ga_0.47As层构成，厚度为200nm；所述的发射区电极 接触层13、发射区14、集电区112和集电区电极接触层113是由掺Si浓度达到2*10¹⁹cm^-3In_0.53Ga_0.47As层构成，其中发射区电极接触层13的厚度为400nm，发射区14的厚度为20nm， 集电区112的厚度为15nm，集电区电极接触层113的厚度为8nm；所述的发射区隔离层15 厚度为2nm；所述的第一势垒16和第二势垒110是由AlAs层构成，厚度为1.2nm；所述的 第一势阱17、第二势阱19和集电区隔离层111是由In_0.53Ga_0.47As层构成，其中，第一势阱 17和第二势阱19的厚度为1.2nm，集电区隔离层111的厚度为2nm；所述的子势阱18是由 InAs层构成，厚度为1.2nm；所述的集电区金属电极114和发射区金属电极115材质为金属， 如金或铂或铝，厚度均为100-300nm。

本发明的一种具有新型材料结构的圆柱形透镜矩阵太赫兹波源，以RTD和微带贴片天线 组成的RTO为例，将多个RTO发射单元设计成集成阵列，考虑偏置电压引出的引线接触点 布局最佳化等，可先从2×2阵列做起，发展到32×32个阵列的芯片。

利用透镜光学合成系统，对发射单元阵列芯片进行光学合成以提高总的发射功率。光学 透镜材料包括硅、聚合物或陶瓷等。由于硅和陶瓷的硬度较大，故而加工难度和成本都比聚 合物大，但聚合物对太赫兹波的吸收作用较强，这样就会使发射出去的太赫兹波减少，不利 于太赫兹波的对外辐射。

圆柱形透镜可以实现汇聚太赫兹波，使辐射的方向性较好，可以实现垂直于芯片平面垂 直发射太赫兹波。圆柱形透镜可以实现对太赫兹波的两次反射，使辐射的方向性较好，可以 实现垂直于芯片平面垂直发射太赫兹波。RTO矩阵制作在InP衬底上，形成芯片。透镜使芯 片阵列上(焦平面上)每一个发射单元都能在透镜焦点上成清晰的像，而不是只对透镜轴线的 发射单元成清晰的像，必要时在阵列芯片后加金属反射镜以减小向背面的太赫兹波发射损失。