基于LT-GaAs外延片的THz片上系統

吳 蕊，蘇 波，趙亞平，何敬鎖，張盛博，張存林

太赫茲光電子學教育部重點實驗室，太赫茲波譜與成像北京市重點實驗室，北京成像理論與技術高精尖創新中心，首都師范大學物理系，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，許多物質的轉動能級均處于此頻段，因此能夠用來對物質進行檢測[1]。太赫茲波介于微波與紅外線之間，很早以前，許多學者就對這一頻段產生了濃厚的興趣，但直到現在，其依然是一個具有極高研究價值的領域。使用THz波對物質進行檢測，應用較廣的方法是基于THz-TDS系統，它可以實現對THz波的有效調控和引導，但最大的問題是空氣中的水蒸汽會對THz波產生強烈的吸收，影響檢測結果，若引入氮氣，則存在不安全因素。另外，檢測光路的搭建較為復雜，耗時較長，檢測樣品時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。

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

目前，有很多單位都在從事片上系統的研究工作，但其頻率范圍大多都集中在GHz頻段。比如Treizebré等[6]使用矢量網絡分析儀(VNA)對于高寶線(PGL)進行了研究，但其工作頻率上限止步于220 GHz。利用VNA測量會被其最高1.1 THz的帶寬所限制[7]，不是集成化THz系統最終的研究方向。目前，基于低溫砷化鎵(LT-GaAs)的THz研究工作已經取得了很大進展，2008年，Shinji Yanagi等[8]制成的多襯底共面傳輸線實現了高帶寬、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)結構的新型THz收發裝置，是目前具有創新性的研究工作。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復雜等問題。

基于LT-GaAs外延片，在上面直接利用光刻微加工技術制備相應的結構。首先，采用蒸鍍工藝制備出具有偶極形電極結構的外延片天線，并用波長為800 nm的飛秒激光器對其進行激勵，測試了其性能，驗證了基于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，并用波長為1 550 nm的飛秒激光對其進行測試，在探測端成功探測到THz信號。最后，研究了外加電壓對片上系統太赫茲波性能的影響，并通過銅箔遮擋的方法對THz波是否沿著傳輸線傳播進行了驗證。

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外延片結構及其制備

本研究所采用的基底結構示意圖如圖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中均有報道，因為砷化鎵材料的介電常數較高，THz波在傳輸時會有很大損耗，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，再將其轉移到新的襯底上，依靠薄膜和基底之間的范德華力實現鍵合。

圖1 LT-GaAs外延片結構Fig.1 Epitaxial wafer structure of LT-GaAs

本研究在前期的工作中，也采用該結構的外延片進行了LT-GaAs的揭膜、轉移及鍵合工作，但是存在制備周期較長、薄膜在轉移過程中容易破碎、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構，在不考慮損耗的情況下驗證片上系統傳輸太赫茲波的可行性?；捉Y構中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 ℃的低溫環境下生長，厚度為2 μm，最后在615 ℃的環境下完成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]，滿足光電導開關的要求。

1.2 THz天線的制備

利用真空蒸鍍技術，將LT-GaAs外延片制成THz天線，天線的結構采用的是偶極形。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高真空蒸發鍍膜機中，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影響到天線電極的制備，也不會對天線性能造成影響。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舟上，與外延片分開，所以鉻和金在熔化蒸鍍過程中不會影響外延片，在整個蒸鍍過程中，外延片的溫度都保持在30 ℃左右。圖2(a)是經過真空蒸鍍后的外延片天線，需要使用導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。實驗時，THz光斑需要照射在產生天線的間隙處，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的飛秒激光對自制的LT-GaAs外延片天線進行測試，激光脈沖的重復頻率為82 MHz，脈寬為100 fs。飛秒激光首先經過半波片(HWP)，它的作用是調節泵浦光路和探測光路中的激光功率，然后經過分束鏡(PBS)后分為兩束，一束為泵浦光，另一束為探測光，泵浦光束經過時間延遲線后照射在THz產生天線上，天線產生的THz波經過兩個離軸拋物鏡后與探測光束合束在具有相同結構的探測天線上。當兩路光路光程相等時，可以對輻射出的THz波進行逐點探測，進而描繪出THz時域譜圖[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

在進行實驗前，首先對最合適的實驗條件進行了探索，測試了光路中兩束光的光功率的比值對THz信號峰值的影響。將THz產生天線和探測天線分別置于如圖3所示的位置上，在產生天線上加載100 V的脈沖直流電壓，并且通過調整天線前的凸透鏡，使得激光光斑聚焦并對準在天線間隙處，以激發和檢測THz信號。在激光總功率為600 mW，產生天線兩端電壓不變的條件下，探測THz時域譜的峰值信號強度，結果如圖4所示?？梢园l現，當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，測得的信號最佳。探測到的THz時域譜如圖5所示。

圖4 LT-GaAs外延片天線探測光功率與THz信號峰值的關系圖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時域譜圖Fig.5 THz time domain spectrogram of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

測試結果表明，THz信號的整體性好且重復率高。時域譜上的第二個峰值信號是由于THz波先后在天線基底的前后表面發生反射而形成的，在后續的片上系統的研究中，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生THz波，也可以探測THz波，為THz片上系統的集成化打下了基礎。

2 集成化的THz片上系統

2.1 光刻工藝

對于集成化的THz片上系統，其表層結構需要通過光刻微加工工藝制備。首先制作掩膜版，采用透光部分達到50%以上的正版，實驗時使用正膠(S1813)進行光刻，與AZ-5214光刻膠不同，S1813在制作過程中不易反膠[13]，不會影響后續步驟。然后經過甩膠—前烘—光刻—顯影—清洗—后烘的步驟后，所得到的是與掩膜版對應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是片上系統掩膜版的實物圖，中間部分為傳輸線的有效部分，長度為1 mm，左右半圓形回環彎繞部分為非傳輸區域的適當延長，以防止回波信號的影響，其兩邊的長度均為13 cm。

圖6 片上系統掩膜版實物圖Fig.6 Physical picture of mask system on chip

2.2 片上系統的集成

LT-GaAs外延片天線在THz頻段的實用性已經得到驗證，接下來直接在外延片上制備電極和傳輸線，實現芯片的集成化，研制出THz片上系統，其結構及測試示意圖如圖7所示。系統中THz的產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，兩個電極間正對距離為140 μm，兩激光光斑間的傳輸線長度為1 mm，寬度20 μm，整個表層的導體厚度為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的激光激勵自制的LT-GaAs外延片天線來產生太赫茲波已被證實可行，但是采用雙光子吸收的機理，利用1 550 nm的飛秒激光激勵天線也可以得到THz波[14]。因為LT-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半導體材料中的每個載流子需要吸收兩個光子的能量才能完成躍遷，進而輻射出THz波。為了檢驗片上系統可行性，同時驗證雙光子吸收效應，本研究重新搭建測試系統，使用1 550 nm的飛秒激光對自制的太赫茲片上系統進行測試。

測試系統中的光路分為泵浦和探測光路，并且引入機械平移臺實現信號的逐點掃描。片上系統的優勢是不需離軸拋物面鏡和光路準直器件，減少了系統的尺寸[16]，測試光路如圖8所示。

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

3 片上系統的性能表征

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產生端和探測端的光電導天線間隙上，這種方式比垂直入射時信號耦合效率高，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動，從而輻射出THz波，THz波信號經傳輸線傳播后到達探測端，與探測激光相互作用，經鎖相積分進而在電腦上得到THz波形。由于THz波在片上系統中傳播時，電磁場在傳輸線、介質基底和自由空間都有分布，所以，對其研究可以引入等效介電常數εeff，其總的損耗主要由傳輸線的導體損耗和外延片基底的介質損耗構成，式(1)[17]中第一項εeff，εr和tanδ是與基底有關的相關參數。由于GaAs的介電常數εr較高，介質損耗比采用轉移LT-GaAs薄膜制成的芯片大，所以，后續的工作將會繼續探索具有低介電常數且適合作為LT-GaAs外延片基底的材料。第二項中w，Z0是表層金屬結構的相關參數，所以可以通過進一步優化傳輸線結構來提高傳輸信號頻率，鑒于本工作所研究頻段在1THz以內，輻射損耗并不占據主要地位，所以在式(1)中沒有列出。

(1)

式(1)中，α是THz片上系統的總損耗，αc是導體損耗，αd是介質損耗，εr是介質層的介電常數，εeff是有效介電常數，tanδ是介質層損耗角正切值，λ0是自由空間中的波長，f是結構上傳輸的頻率，σ和μ0分別是電導率和真空中的磁導率，Z0是特征阻抗，w是有效寬度，在本研究中，w的值為20 μm。

實驗時需要調節電壓，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，重復頻率為100 MHz，脈寬為60 fs。鎖相放大器的頻率設置為10 kHz，與外加直流脈沖電壓的頻率一致。片上系統置于三維調節架上，便于調整。

圖9 片上系統中THz時域譜圖(a)：THz時域譜圖(偏壓=40 V)；(b)：THz時域譜圖(偏壓=70 V)(c)：THz時域譜圖(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片上系統中THz信號的強度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信號都沒有發生變化，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 論

基于LT-GaAs外延片開展了一系列THz研究工作，首先報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，且檢測出的時域譜信號峰值明顯，強度高。在此基礎上，制備了太赫茲片上系統，采用1 550 nm波長的飛秒激光對其進行測試，獲得了質量較高的THz波信號。然后，對THz波的幅值和外加電壓進行了研究，發現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，驗證了THz波沿片上系統中傳輸線傳播的事實。本研究工作為THz片上系統與微流控技術相結合實現對液體樣品和微量樣品的探測提供了保障，為進一步拓展片上系統的應用領域打下了基礎。