專利名稱：一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電信息功能材料領域，具體地說是涉及一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器。
二背景技術：
眾所周知，太赫茲頻率范圍處于電子學和光子學的交叉區域。近年來，隨著超快激光技術的迅速發展，太赫茲輻射成像技術以及時域光譜技術在生物醫學、安全檢査、工業無損檢測、空間物理、化學分析、軍事、通訊等領域有廣闊的應用前景。人們希望設計一些太赫茲器件能夠在太赫茲波段選頻，具有可調控的多通道的濾波功能。例如，2008年英國Exeter大學T. H. Isaac博士所在研究組研制了一種具有多通道濾波功能的太赫茲器件。該器件為一具有亞波長狹縫結構的銻化銦(InSb)半導體薄膜，膜厚456微米，當光垂直入射時，在0. 1太赫茲至3太赫茲的范圍內得到五個透射峰(共振模式)，并且五個透射峰的頻率隨著縫寬的減小而減小，其透射率也隨著縫寬的減小而減小(詳情參見T. H. Isaac, J. G6mez Rivas和J. R. Sambles等人發表于2008年美國《物理評論B》第77巻、第11期、第113411-1頁至113411-4頁的論文，g卩/^"/cfl/及ev/ew5,77, 113411， 2008)。
根據美國《物理評論B》的這篇報道，這種456微米厚太赫茲濾波器件的結構和光譜測量方法如下
第一，制備出無摻雜的銻化銦(InSb)薄膜材料，膜厚456微米；該銻化銦薄膜材料在77K溫度下電導率為2400Sm—N
第二，利用金剛刀沿銻化銦晶面將銻化銦薄膜切開，在顯微鏡微米轉動平臺上把切開的兩個面對準平行，形成狹縫；
第三，在入射太赫茲輻射波的極化方向與狹縫方向垂直的條件下，用太赫茲光譜儀測量不同縫寬(從90微米到10微米之間變化)時該器件的垂直透射率。
目前，利用這種456微米厚太赫茲濾波器，可以在頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內得到五個透射峰，他們來源于由表面等離激元調制的類法布里-珀羅(Fabry-P紅ot)共振效應，并且五個透射峰(共振模式)的頻率隨著縫寬的減小而減小，其透射率也隨著縫寬的減小而減小。從而該器件在太赫茲頻段具有多通道濾波功能。但是，該器件中太赫茲光透射率偏低(透射峰值處也僅為1.4%左右)，并且狹縫寬度不易調節(只能放在顯微鏡的微米轉動平臺上調節)，此外，銻化銦薄膜較厚(456微米)。因此，研制一種超薄的高透射率并且調控方便的新型多通道太赫茲濾波器頗有應用價值。
發明內容
1. 發明目的
本發明的目的是提供一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器，這種太赫茲波濾波器可以在頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振透射峰，并且這五個共振模式的頻率基本不隨溫度變化(在225K至325K溫度范圍內頻率誤差不超過1%)，但相應的透射率隨溫度降低而增加，可用于多通道的太赫茲濾波器件等。
2. 技術方案
一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器，由襯底和銻化銦薄膜材料構成，其特征在于首先將襯底材料的表面制作成有周期起伏的正弦曲面，然后在襯底表面的正弦曲面上生長一層厚度為1. 85-2. 15微米的銻化銦薄膜，該多通道太赫茲濾波器，具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振透射峰，并且這五個共振模式的頻率從325K降至225K溫度范圍內頻率誤差不超過1%，但相應的透射率隨溫度降低而增加，其透射率高達90% 93%。
上述的襯底材料為高阻抗單晶硅或砷化鎵。
上述的襯底材料表面用光刻蝕技術制作成有周期起伏的正弦曲面，該正弦曲面的周期為735-765微米，表面起伏幅度為136-164微米。上述的銻化銦薄膜材料是無摻雜銻化銦材料。
4利用有限元時域差分方法，計算得到不同環境溫度下、分別以高阻抗單晶 硅和砷化鎵為襯底材料的多通道太赫茲濾波器結構的透射譜(參見圖2和圖3)。 有限元時域差分方法的具體運用可參見我們發表于2007年美國《物理評論B》 第76巻、第195405-1頁至195405-8頁的論文，即Z. H. Tang禾n R W. Peng (彭 茹雯)等Physical Review B 76, 195405(2007)。 選用的無摻雜銻化銦材料在不 同溫度下的各項光學參數來自Jos6 A. Sdnchez-Gil和Jaime G6mez Rivas的論 文(Physical Review B第73巻、第205410-1頁至205410-8頁的論文)；選 作為襯底材料的高阻抗單晶硅，其介電系數來自Martin van Exter和D. Grischkowsky的論文(Applied Physics Letters第56巻、第17期、第1694-1696 頁的論文)；選作為襯底材料的砷化鎵，其介電系數來自于K. A. Mcintosh等人 的論文(Applied Physics Letters第69巻、第24期、第3632-3634頁的論文)。 如圖2和圖3所示，多通道太赫茲濾波器結構在垂直入射時獲得了五個共振透 射峰位于O. l至3太赫茲的頻率范圍內，即0.40太赫茲、0.80太赫茲、1.20 太赫茲、1.60太赫茲和2.00太赫茲。該五個共振模式的頻率呈倍數關系，當 環境溫度從325K降低至225K時，這五個共振頻率基本不隨溫度變化，但它 們的透射率隨溫度的降低而增加。另外，多通道太赫茲濾波器結構中透射峰的共振頻率可通過改變該結構中 襯底表面起伏的周期長度來調控。例如將襯底表面起伏的周期改變為587-613 微米、表面起伏幅度改變為107-133微米，然后在襯底表面生長一層InSb薄膜 (厚度為1.85-2.15微米)。這種多通道太赫茲濾波器結構在垂直入射時獲得 五個共振透射峰在O. l至3太赫茲的頻率范圍內，即0.50太赫茲、l.OO太 赫茲、1.50太赫茲、2. OO太赫茲和2. 50太赫茲(參見圖4和圖5)。當環境 溫度從325K降低至225K時，這五個共振頻率基本不隨溫度變化，但它們的 透射率隨溫度的降低而增加。因此，本發明的多通道太赫茲濾波器，其中的銻化銦薄膜厚度不超過2.15 微米，具有在電磁波頻率為O. l至3太赫茲的范圍內獲得五個共振透射峰，并 且共振透射頻率基本不隨溫度變化，但透射率隨溫度降低而增加的功能。3.有益成果本發明與現有技術相比具有以下優點
第一，本發明的多通道太赫茲濾波器結構具有在0. 1至3太赫茲的頻率范圍內獲得五個共振模式(1)當該結構中襯底表面起伏周期為735-765微米，表面起伏幅度為136-164微米時，共振模式分別為0. 40太赫茲、0. 80太赫茲、1.20太赫茲、1.60太赫茲和2.00太赫茲；(2)當該結構中襯底表面起伏周期為587-613微米，表面起伏幅度為107-133微米時，共振模式分別為0. 50太赫茲、l.OO太赫茲、1.50太赫茲、2.00太赫茲和2. 50太赫茲。并且，每種情況下五個共振模式的透射率可以通過改變器件的環境溫度來調控，而透射峰的頻率位置基本不隨溫度變化而變化。
現有技術，例如2008年英國Exeter大學T. H. Isaac所在研究組研制的一種太赫茲波濾波器件(詳情參見T. H. Isaac, J. G6mez Rivas和J. R. Sambles等人發表于2008年美國《物理評論B》第77巻、第11期、第113411-1頁至113411-4頁的論文，即i^，戸i'cfl/及ev/ew5, 77， 113411， 2008)，其在0. 1至3太赫茲的范圍內也獲得五個共振模式，雖然五個透射峰的透射率隨著縫寬的移動而移動，但透射峰的頻率也隨著縫寬改變而改變，不易精確定位。此外，狹縫長度不易精確控制，并且只能在顯微鏡微米載物控制臺上加以操縱。因此，本發明的溫度調控的多通道太赫茲濾波器在太赫茲波的透射率調控上存在優勢，僅需要改變器件所處的環境溫度就可以調節器件在太赫茲波段的透射率，并且其共振透射峰頻率位置基本保持不變。
第二，本發明多通道太赫茲濾波器結構所用InSb薄膜厚度較薄，其厚度為1.85-2. 15微米(不超過2. 15微米)，透射率較高(共振模式處的透射率最高可達到90%-93%)。
現有技術，例如2008年英國Exeter大學T. H. Isaac所在研究組研制的一種太赫茲波濾波器件(詳情參見T. H. Isaac, J. G6mez Rivas禾卩J. R. Sambles等人發表于2008年美國《物理評論B》第77巻、第11期、第113411-1頁至113411-4頁的論文，即尸A"iVfl/及ev/ew5, 77， 113411， 2008)，其樣品厚度456微米，透射率偏低(透射峰值處也僅為1.4%左右)。因而，本發明的多通道太赫茲濾波器的結構設計和增強透射方面存在優勢。
6四
圖1、本發明中由銻化銦周期波紋薄膜構成的太赫茲波多通道濾波器結構示 意圖(a)結構的立體示意圖；(b)剖面放大圖。圖2、本發明中以高阻抗單晶硅為襯底的太赫茲波多通道濾波器結構(周期 750微米，表面起伏幅度150微米，厚度2.0微米)在不同溫度下的透射譜。圖3、本發明中以砷化鎵為襯底的太赫茲波多通道濾波器結構(周期750微 米，表面起伏幅度150微米，厚度2.0微米)在不同溫度下的透射譜。圖4、本發明中以高阻抗單晶硅為襯底的太赫茲波多通道濾波器結構(周期 600微米，表面起伏幅度120微米，厚度2.0微米)在不同溫度下的透射譜。圖5、本發明中以砷化鎵為襯底的太赫茲波多通道濾波器結構(周期600微 米，表面起伏幅度120微米，厚度2.0微米)在不同溫度下的透射譜。五具體實施方式
本發明具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器的具體實施方式
如下實施例l，選用襯底為高阻抗單晶硅，薄膜材料為無摻雜的銻化銦(InSb)。 將襯底表面用光刻蝕技術制成正弦曲面形狀(周期750微米，表面起伏幅度150 微米)，然后用激光沉積技術在襯底表面的正弦曲面上生長一層InSb薄膜(厚 度2.0微米)，這種多通^t太赫茲濾波器結構，具有在電磁波頻率為0. 1至3 太赫茲的范圍內獲得五個共振模式，即0.40太赫茲、0.80太赫茲、1.20太 赫茲、1.60太赫茲和2.00太赫茲，當環境溫度從325K降低至225K時，這五 個共振頻率基本不隨溫度變化，但它們的透射率隨溫度的降低而增加，透射 率最高可達到90%。因此，這種多通道太赫茲濾波器結構，其中的薄膜厚度不 超過2. 0微米，具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振模 式，并且透射率隨溫度降低而增加的功能。實施例2，選用襯底為砷化鎵，薄膜材料為無摻雜的InSb。將襯底表面通 過光刻蝕等技術刻蝕成正弦曲面形狀(周期750微米，表面起伏幅度150微米)。然后用激光沉積技術在襯底表面的正弦曲面上生長一層InSb薄膜(厚度2微 米)。這種多通道太赫茲濾波器，具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內 獲得五個共振模式，即0.40太赫茲、0.80太赫茲、1.20太赫茲、1.60太 赫茲和2.00太赫茲，當環境溫度從325K降低至225K時，這五個共振頻率基 本不隨溫度變化，但它們的透射率隨溫度的降低而增加，透射率最高可達到 90%。因此，這種多通道太赫茲濾波器，其中的薄膜厚度不超過2.0微米，具有 在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振模式，并且透射率隨 溫度降低而增加的功能。實施例3，選用襯底為高阻抗單晶硅，薄膜材料為無摻雜的銻化銦(InSb)。 將襯底表面用光刻蝕技術制成正弦曲面形狀(周期600微米，表面起伏幅度120 微米)。然后用激光沉積技術在襯底表面的正弦曲面上生長一層InSb薄膜(厚 度2. 0微米)。這種多通道太赫茲濾波器，具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫 茲的范圍內獲得五個共振模式，即0.50太赫茲、l.OO太赫茲、1.50太赫茲、 2.00太赫茲和2.50太赫茲，當環境溫度從325K降低至225K時，這五個共振 頻率基本不隨溫度變化，但它們的透射率隨溫度的降低而增加，透射率最高 可達到931因此，這種多通道太赫茲濾波器，其中的薄膜厚度不超過2. 0微米， 具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振模式，并且透射率 隨溫度降低而增加的功能。實施例4，選用襯底為砷化鎵，薄膜材料為無摻雜的InSb。將襯底表面通 過光刻蝕技術刻蝕成正弦曲面形狀(周期600微米，表面起伏幅度120微米)。 然后用激光沉積技術在襯底表面的正弦曲面上生長一層InSb薄膜(厚度2微 米)。這種多通道太赫茲濾波器，具有在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內 獲得五個共振模式，即0.50太赫茲、1.00太赫茲、1.50太赫茲、2.00太 赫茲和2.50太赫茲，當環境溫度從325K降低至225K時，這五個共振頻率基 本不隨溫度變化，但它們的透射率隨溫度的降低而增加，透射率最高可達到 93%。因此，這種多通道太赫茲濾波器，其中的薄膜厚度不超過2.0微米，具有 在電磁波頻率為0. 1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振模式，并且透射率隨 溫度降低而增加的功能。
權利要求
1、一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器，由襯底和銻化銦薄膜材料構成，其特征在于首先將襯底材料的表面制作成有周期起伏的正弦曲面，然后在襯底表面的正弦曲面上生長一層厚度為1.85-2.15微米的銻化銦薄膜，該多通道太赫茲濾波器，具有在電磁波頻率為0.1至3太赫茲的范圍內獲得五個共振透射峰，并且這五個共振模式的頻率從325K降至225K溫度范圍內頻率誤差不超過1％，但相應的透射率隨溫度降低而增加，其透射率高達90％～93％。
2、 根據權利要求1所述的多通道太赫茲濾波器，其特征在于所述的襯底材 料為高阻抗單晶硅或砷化鎵。
3、 根據權利要求1所述的多通道太赫茲濾波器，其特征在于所述的襯底材 料表面用光刻蝕技術制作成有周期起伏的正弦曲面，該正弦曲面的周期為 735-765微米，表面起伏幅度為136-164微米。
4、 根據權利要求1所述的多通道太赫茲濾波器，其特征在于所述的銻化銦 薄膜材料是無摻雜銻化銦材料。
全文摘要
本發明公開了一種具有溫度調控的超薄的多通道太赫茲濾波器，該濾波器是在高阻抗單晶硅或砷化鎵襯底的表面上構造曲面，然后在襯底曲面上生長一層銻化銦薄膜，該薄膜材料厚度超薄(總厚度不超過2.15微米)，該多通道太赫茲濾波器具有在0.1至3太赫茲的頻率范圍內獲得五個共振透射峰，并且共振透射頻率基本不隨溫度變化，并且這五個共振模式的透射率隨溫度降低而增加，其透射率高達90％～93％。
文檔編號H01P1/20GK101504997SQ20091002579
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月10日 優先權日2009年3月10日
發明者昕 吳, 彭茹雯, 德 李, 濤 林, 牧 王, 青 胡, 峰 高 申請人:南京大學