基于LT-GaAs外延片的THz片上系統(tǒng)

吳 蕊，蘇 波，趙亞平，何敬鎖，張盛博，張存林

太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太赫茲波譜與成像北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京成像理論與技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心，首都師范大學(xué)物理系，北京 100048

引 言

太赫茲波通常指頻率處于0.1～10 THz、波長范圍為30～3 000 μm的電磁波，它的能量小，空間分辨率高，許多物質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)均處于此頻段，因此能夠用來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測[1]。太赫茲波介于微波與紅外線之間，很早以前，許多學(xué)者就對(duì)這一頻段產(chǎn)生了濃厚的興趣，但直到現(xiàn)在，其依然是一個(gè)具有極高研究價(jià)值的領(lǐng)域。使用THz波對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測，應(yīng)用較廣的方法是基于THz-TDS系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的有效調(diào)控和引導(dǎo)，但最大的問題是空氣中的水蒸汽會(huì)對(duì)THz波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，影響檢測結(jié)果，若引入氮?dú)?，則存在不安全因素。另外，檢測光路的搭建較為復(fù)雜，耗時(shí)較長，檢測樣品時(shí)還需要外加樣品固定架，操作比較繁瑣[2]。因此，提出了THz片上系統(tǒng)。

對(duì)于片上系統(tǒng)，利茲大學(xué)在這方面的研究較多，2006年，他們選用苯并環(huán)丁烯(BCB)作為基底材料制作了微帶線(MSL)無源濾波器并在低溫環(huán)境下進(jìn)行了測試[3]。2013年，在完成了大量的仿真工作的基礎(chǔ)上，他們研制出基于高寶線(PGL)的片上系統(tǒng)，并成功地對(duì)樣品進(jìn)行了測量[4]。利茲大學(xué)的工作給本研究提供了新的思路和探索方向。片上系統(tǒng)指的是將THz的產(chǎn)生、傳輸和探測都集成在同一個(gè)芯片上，然后用兩束飛秒激光分別照射在產(chǎn)生和探測THz波的光電導(dǎo)天線上，產(chǎn)生端的光電導(dǎo)天線由于受到激光激勵(lì)而輻射出THz波，然后經(jīng)傳輸線到達(dá)探測端，最后通過相干探測的方法對(duì)THz波進(jìn)行探測[5]。由于整個(gè)THz片上系統(tǒng)的集成化程度較高，并且易于與其他微量樣品檢測裝置相結(jié)合，所以具有很高的研究價(jià)值。

目前，有很多單位都在從事片上系統(tǒng)的研究工作，但其頻率范圍大多都集中在GHz頻段。比如Treizebré等[6]使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對(duì)于高寶線(PGL)進(jìn)行了研究，但其工作頻率上限止步于220 GHz。利用VNA測量會(huì)被其最高1.1 THz的帶寬所限制[7]，不是集成化THz系統(tǒng)最終的研究方向。目前，基于低溫砷化鎵(LT-GaAs)的THz研究工作已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，2008年，Shinji Yanagi等[8]制成的多襯底共面?zhèn)鬏斁€實(shí)現(xiàn)了高帶寬、低損耗的THz波傳輸，2015年，Matheisen等[9]基于柔性PET懸臂梁，研制出具有共面帶狀線(CPS)結(jié)構(gòu)的新型THz收發(fā)裝置，是目前具有創(chuàng)新性的研究工作。但是以上的研究工作都存在頻帶窄，工藝難度高以及測量系統(tǒng)復(fù)雜等問題。

基于LT-GaAs外延片，在上面直接利用光刻微加工技術(shù)制備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。首先，采用蒸鍍工藝制備出具有偶極形電極結(jié)構(gòu)的外延片天線，并用波長為800 nm的飛秒激光器對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，測試了其性能，驗(yàn)證了基于LT-GaAs外延片的THz天線的可行性。然后，直接在LT-GaAs外延片上制備傳輸線和微電極，制成THz片上系統(tǒng)，并用波長為1 550 nm的飛秒激光對(duì)其進(jìn)行測試，在探測端成功探測到THz信號(hào)。最后，研究了外加電壓對(duì)片上系統(tǒng)太赫茲波性能的影響，并通過銅箔遮擋的方法對(duì)THz波是否沿著傳輸線傳播進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于LT-GaAs外延片的THz天線的制備及其性能表征

1.1 LT-GaAs外延片結(jié)構(gòu)及其制備

本研究所采用的基底結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，首先在半絕緣砷化鎵(SI-GaAs)基底上生長砷化鎵(GaAs)緩沖層和砷化鋁(AlAs)犧牲層，然后外延生長出LT-GaAs層，制備出LT-GaAs外延片。該外延片的制備方法在很多文獻(xiàn)中均有報(bào)道，因?yàn)樯榛壊牧系慕殡姵?shù)較高，THz波在傳輸時(shí)會(huì)有很大損耗，所以外延片上的AlAs犧牲層就是為了采用選擇性腐蝕的方法得到LT-GaAs薄膜，再將其轉(zhuǎn)移到新的襯底上，依靠薄膜和基底之間的范德華力實(shí)現(xiàn)鍵合。

圖1 LT-GaAs外延片結(jié)構(gòu)Fig.1 Epitaxial wafer structure of LT-GaAs

本研究在前期的工作中，也采用該結(jié)構(gòu)的外延片進(jìn)行了LT-GaAs的揭膜、轉(zhuǎn)移及鍵合工作，但是存在制備周期較長、薄膜在轉(zhuǎn)移過程中容易破碎、成功率較低以及腐蝕液具有毒性等問題[10]。因此，本研究直接在上述的外延片上利用光刻微加工工藝制作所需的結(jié)構(gòu)，在不考慮損耗的情況下驗(yàn)證片上系統(tǒng)傳輸太赫茲波的可行性?；捉Y(jié)構(gòu)中GaAs和AlAs的厚度分別為80和200 nm，生長溫度為580和550 ℃，LT-GaAs需要在200 ℃的低溫環(huán)境下生長，厚度為2 μm，最后在615 ℃的環(huán)境下完成15 min的退火。這樣制備的LT-GaAs載流子壽命短，擊穿電場高，遷移率大[11]，滿足光電導(dǎo)開關(guān)的要求。

1.2 THz天線的制備

利用真空蒸鍍技術(shù)，將LT-GaAs外延片制成THz天線，天線的結(jié)構(gòu)采用的是偶極形。首先，將外延片裁切成2 mm×5 mm的尺寸，把直徑為200 μm的銅線綁在外延片中間，然后將外延片固定在蒸鍍板上，放入2HD-400高真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)中，先后分別蒸鍍20 nm厚的鉻和250 nm厚的金，其中金的純度為99.999%，先蒸鍍鉻是為了便于金的附著。由于鉻和金都是垂直向上蒸鍍，且樣品倒置，所以中間銅線自身的厚度不會(huì)影響到天線電極的制備，也不會(huì)對(duì)天線性能造成影響。取下銅線后，電極部分自然保留了蒸鍍上的金，間隙為200 μm的THz天線就制備完成。由于要蒸鍍的鉻和金是放置在儀器底部的蒸發(fā)舟上，與外延片分開，所以鉻和金在熔化蒸鍍過程中不會(huì)影響外延片，在整個(gè)蒸鍍過程中，外延片的溫度都保持在30 ℃左右。圖2(a)是經(jīng)過真空蒸鍍后的外延片天線，需要使用導(dǎo)電銀膠將其與印刷電路板(PCB)上的貼片焊盤粘貼，如圖2(b)所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，THz光斑需要照射在產(chǎn)生天線的間隙處，并且在PCB的電源引腳上加載直流脈沖電壓，如圖2(c)所示。

圖2 電極間隙為200 μm的LT-GaAs外延片THz天線(a)：帶電極的LT-GaAs外延片；(b)：固定在PCB板上的外延片天線；(c)：自制天線成品Fig.2 LT-GaAs epitaxial wafer THz antenna with electrode gap of 200 μm(a)：LT-GaAs epitaxial wafer with electrode；(b)：Epitaxial wafer antenna fixed on PCB；(c)：Self made antenna products

1.3 測試光路

用波長為800 nm的飛秒激光對(duì)自制的LT-GaAs外延片天線進(jìn)行測試，激光脈沖的重復(fù)頻率為82 MHz，脈寬為100 fs。飛秒激光首先經(jīng)過半波片(HWP)，它的作用是調(diào)節(jié)泵浦光路和探測光路中的激光功率，然后經(jīng)過分束鏡(PBS)后分為兩束，一束為泵浦光，另一束為探測光，泵浦光束經(jīng)過時(shí)間延遲線后照射在THz產(chǎn)生天線上，天線產(chǎn)生的THz波經(jīng)過兩個(gè)離軸拋物鏡后與探測光束合束在具有相同結(jié)構(gòu)的探測天線上。當(dāng)兩路光路光程相等時(shí)，可以對(duì)輻射出的THz波進(jìn)行逐點(diǎn)探測，進(jìn)而描繪出THz時(shí)域譜圖[12]，測試光路如圖3所示。

圖3 LT-GaAs外延片天線測試光路Fig.3 Test optical path of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

1.4 THz天線的性能表征

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)最合適的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了探索，測試了光路中兩束光的光功率的比值對(duì)THz信號(hào)峰值的影響。將THz產(chǎn)生天線和探測天線分別置于如圖3所示的位置上，在產(chǎn)生天線上加載100 V的脈沖直流電壓，并且通過調(diào)整天線前的凸透鏡，使得激光光斑聚焦并對(duì)準(zhǔn)在天線間隙處，以激發(fā)和檢測THz信號(hào)。在激光總功率為600 mW，產(chǎn)生天線兩端電壓不變的條件下，探測THz時(shí)域譜的峰值信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測路的激光功率為150 mW，泵浦路為450 mW，即功率之比為1∶3時(shí)，測得的信號(hào)最佳。探測到的THz時(shí)域譜如圖5所示。

圖4 LT-GaAs外延片天線探測光功率與THz信號(hào)峰值的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between detection power and THz signal peak of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

圖5 LT-GaAs外延片天線THz時(shí)域譜圖Fig.5 THz time domain spectrogram of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

測試結(jié)果表明，THz信號(hào)的整體性好且重復(fù)率高。時(shí)域譜上的第二個(gè)峰值信號(hào)是由于THz波先后在天線基底的前后表面發(fā)生反射而形成的，在后續(xù)的片上系統(tǒng)的研究中，激光是傾斜入射，且THz波是沿著傳輸線橫向傳播的，所以，在一定程度上可以減小回波的影響?；贚T-GaAs外延片的天線既可以產(chǎn)生THz波，也可以探測THz波，為THz片上系統(tǒng)的集成化打下了基礎(chǔ)。

2 集成化的THz片上系統(tǒng)

2.1 光刻工藝

對(duì)于集成化的THz片上系統(tǒng)，其表層結(jié)構(gòu)需要通過光刻微加工工藝制備。首先制作掩膜版，采用透光部分達(dá)到50%以上的正版，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用正膠(S1813)進(jìn)行光刻，與AZ-5214光刻膠不同，S1813在制作過程中不易反膠[13]，不會(huì)影響后續(xù)步驟。然后經(jīng)過甩膠—前烘—光刻—顯影—清洗—后烘的步驟后，所得到的是與掩膜版對(duì)應(yīng)的留有光刻膠的圖形，最后利用離子束刻蝕工藝，打掉未被光刻膠覆蓋的金和鉻。圖6是片上系統(tǒng)掩膜版的實(shí)物圖，中間部分為傳輸線的有效部分，長度為1 mm，左右半圓形回環(huán)彎繞部分為非傳輸區(qū)域的適當(dāng)延長，以防止回波信號(hào)的影響，其兩邊的長度均為13 cm。

圖6 片上系統(tǒng)掩膜版實(shí)物圖Fig.6 Physical picture of mask system on chip

2.2 片上系統(tǒng)的集成

LT-GaAs外延片天線在THz頻段的實(shí)用性已經(jīng)得到驗(yàn)證，接下來直接在外延片上制備電極和傳輸線，實(shí)現(xiàn)芯片的集成化，研制出THz片上系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)及測試示意圖如圖7所示。系統(tǒng)中THz的產(chǎn)生和探測均采用偶極形天線，電極大小為1.5 mm×70 μm，電極與傳輸線間距為60 μm，兩個(gè)電極間正對(duì)距離為140 μm，兩激光光斑間的傳輸線長度為1 mm，寬度20 μm，整個(gè)表層的導(dǎo)體厚度為250 nm，其中金的厚度為230 nm，金下方的鉻是20 nm。

圖7 THz片上系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of THz system on chip

2.3 測試光路

利用800 nm的激光激勵(lì)自制的LT-GaAs外延片天線來產(chǎn)生太赫茲波已被證實(shí)可行，但是采用雙光子吸收的機(jī)理，利用1 550 nm的飛秒激光激勵(lì)天線也可以得到THz波[14]。因?yàn)長T-GaAs的能帶間隙為1.42 eV[15]，而1 550 nm的激光的單光子能量僅僅0.8 eV，所以LT-GaAs半導(dǎo)體材料中的每個(gè)載流子需要吸收兩個(gè)光子的能量才能完成躍遷，進(jìn)而輻射出THz波。為了檢驗(yàn)片上系統(tǒng)可行性，同時(shí)驗(yàn)證雙光子吸收效應(yīng)，本研究重新搭建測試系統(tǒng)，使用1 550 nm的飛秒激光對(duì)自制的太赫茲片上系統(tǒng)進(jìn)行測試。

測試系統(tǒng)中的光路分為泵浦和探測光路，并且引入機(jī)械平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的逐點(diǎn)掃描。片上系統(tǒng)的優(yōu)勢是不需離軸拋物面鏡和光路準(zhǔn)直器件，減少了系統(tǒng)的尺寸[16]，測試光路如圖8所示。

圖8 片上系統(tǒng)測試光路Fig.8 Test optical path of system on chip

3 片上系統(tǒng)的性能表征

分別將泵浦光路和探測光路中的飛秒激光以一定角度聚焦在THz產(chǎn)生端和探測端的光電導(dǎo)天線間隙上，這種方式比垂直入射時(shí)信號(hào)耦合效率高，兩束激光入射方向與豎直方向的夾角分別為30°和15°。產(chǎn)生端由外加偏壓提供的能量，可以使LT-GaAs中的自由載流子加速運(yùn)動(dòng)，從而輻射出THz波，THz波信號(hào)經(jīng)傳輸線傳播后到達(dá)探測端，與探測激光相互作用，經(jīng)鎖相積分進(jìn)而在電腦上得到THz波形。由于THz波在片上系統(tǒng)中傳播時(shí)，電磁場在傳輸線、介質(zhì)基底和自由空間都有分布，所以，對(duì)其研究可以引入等效介電常數(shù)εeff，其總的損耗主要由傳輸線的導(dǎo)體損耗和外延片基底的介質(zhì)損耗構(gòu)成，式(1)[17]中第一項(xiàng)εeff，εr和tanδ是與基底有關(guān)的相關(guān)參數(shù)。由于GaAs的介電常數(shù)εr較高，介質(zhì)損耗比采用轉(zhuǎn)移LT-GaAs薄膜制成的芯片大，所以，后續(xù)的工作將會(huì)繼續(xù)探索具有低介電常數(shù)且適合作為LT-GaAs外延片基底的材料。第二項(xiàng)中w，Z0是表層金屬結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，所以可以通過進(jìn)一步優(yōu)化傳輸線結(jié)構(gòu)來提高傳輸信號(hào)頻率，鑒于本工作所研究頻段在1THz以內(nèi)，輻射損耗并不占據(jù)主要地位，所以在式(1)中沒有列出。

(1)

式(1)中，α是THz片上系統(tǒng)的總損耗，αc是導(dǎo)體損耗，αd是介質(zhì)損耗，εr是介質(zhì)層的介電常數(shù)，εeff是有效介電常數(shù)，tanδ是介質(zhì)層損耗角正切值，λ0是自由空間中的波長，f是結(jié)構(gòu)上傳輸?shù)念l率，σ和μ0分別是電導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率，Z0是特征阻抗，w是有效寬度，在本研究中，w的值為20 μm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)需要調(diào)節(jié)電壓，使外加偏壓變化，探測光路和泵浦光路中光功率比值仍為1∶3，飛秒激光的波長為1 550 nm，重復(fù)頻率為100 MHz，脈寬為60 fs。鎖相放大器的頻率設(shè)置為10 kHz，與外加直流脈沖電壓的頻率一致。片上系統(tǒng)置于三維調(diào)節(jié)架上，便于調(diào)整。

圖9 片上系統(tǒng)中THz時(shí)域譜圖(a)：THz時(shí)域譜圖(偏壓=40 V)；(b)：THz時(shí)域譜圖(偏壓=70 V)(c)：THz時(shí)域譜圖(偏壓=100 V)Fig.9 THz time domain spectrogram in system on chip(a)：THz time domain spectrogram (bias=40 V)；(b)：THz time domain spectrogram (bias=70 V)；(c)：THz time domain spectrogram (bias=100 V)

表1 THz片上系統(tǒng)中THz信號(hào)的強(qiáng)度Table 1 THz signal strength in THz system on chip

(2)

另外，為了證明THz波是在片上系統(tǒng)中的傳輸線上傳播的，將一銅箔垂直放置在傳輸線上方，并逐步靠近傳輸線，最近距離為500 μm，但在多次的采集過程中，THz信號(hào)都沒有發(fā)生變化，這就證明了THz波是在傳輸線上傳播而不是通過自由空間傳播的。

4 結(jié) 論

基于LT-GaAs外延片開展了一系列THz研究工作，首先報(bào)道了一種簡便快捷的方法制作外延片天線，其制作周期短，成品率高，且檢測出的時(shí)域譜信號(hào)峰值明顯，強(qiáng)度高。在此基礎(chǔ)上，制備了太赫茲片上系統(tǒng)，采用1 550 nm波長的飛秒激光對(duì)其進(jìn)行測試，獲得了質(zhì)量較高的THz波信號(hào)。然后，對(duì)THz波的幅值和外加電壓進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著外加偏壓的增加，THz脈沖的峰峰值增加。最后通過用銅箔遮擋THz波傳播的方法，驗(yàn)證了THz波沿片上系統(tǒng)中傳輸線傳播的事實(shí)。本研究工作為THz片上系統(tǒng)與微流控技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品和微量樣品的探測提供了保障，為進(jìn)一步拓展片上系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。