吴 蕊，苏 波，赵亚平，何敬锁，张盛博，张存林

太赫兹光电子学教育部重点实验室，太赫兹波谱与成像北京市重点实验室，北京成像理论与技术高精尖创新中心，首都师范大学物理系，北京 100048

引 言

太赫兹波通常指频率处于0.1～10 THz、波长范围为30～3 000 μm的电磁波，它的能量小，空间分辨率高，许多物质的转动能级均处于此频段，因此能够用来对物质进行检测[1]。太赫兹波介于微波与红外线之间，很早以前，许多学者就对这一频段产生了浓厚的兴趣，但直到现在，其依然是一个具有极高研究价值的领域。使用THz波对物质进行检测，应用较广的方法是基于THz-TDS系统，它可以实现对THz波的有效调控和引导，但最大的问题是空气中的水蒸汽会对THz波产生强烈的吸收，影响检测结果，若引入氮气，则存在不安全因素。另外，检测光路的搭建较为复杂，耗时较长，检测样品时还需要外加样品固定架，操作比较繁琐[2]。因此，提出了THz片上系统。

对于片上系统，利兹大学在这方面的研究较多，2006年，他们选用苯并环丁烯(BCB)作为基底材料制作了微带线(MSL)无源滤波器并在低温环境下进行了测试[3]。2013年，在完成了大量的仿真工作的基础上，他们研制出基于高宝线(PGL)的片上系统，并成功地对样品进行了测量[4]。利兹大学的工作给本研究提供了新的思路和探索方向。片上系统指的是将THz的产生、传输和探测都集成在同一个芯片上，然后用两束飞秒激光分别照射在产生和探测THz波的光电导天线上，产生端的光电导天线由于受到激光激励而辐射出THz波，然后经传输线到达探测端，最后通过相干探测的方法对THz波进行探测[5]。由于整个THz片上系统的集成化程度较高，并且易于与其他微量样品检测装置相结合，所以具有很高的研究价值。

目前，有很多单位都在从事片上系统的研究工作，但其频率范围大多都集中在GHz频段。比如Treizebré等[6]使用矢量网络分析仪(VNA)对于高宝线(PGL)进行了研究，但其工作频率上限止步于220 GHz。利用VNA测量会被其最高1.1 THz的带宽所限制[7]，不是集成化THz系统最终的研究方向。目前，基于低温砷化镓(LT-GaAs)的THz研究工作已经取得了很大进展，2008年，Shinji Yanagi等[8]制成的多衬底共面传输线实现了高带宽、低损耗的THz波传输，2015年，Matheisen等[9]基于柔性PET悬臂梁，研制出具有共面带状线(CPS)结构的新型THz收发装置，是目前具有创新性的研究工作。但是以上的研究工作都存在频带窄，工艺难度高以及测量系统复杂等问题。

基于LT-GaAs外延片，在上面直接利用光刻微加工技术制备相应的结构。首先，采用蒸镀工艺制备出具有偶极形电极结构的外延片天线，并用波长为800 nm的飞秒激光器对其进行激励，测试了其性能，验证了基于LT-GaAs外延片的THz天线的可行性。然后，直接在LT-GaAs外延片上制备传输线和微电极，制成THz片上系统，并用波长为1 550 nm的飞秒激光对其进行测试，在探测端成功探测到THz信号。最后，研究了外加电压对片上系统太赫兹波性能的影响，并通过铜箔遮挡的方法对THz波是否沿着传输线传播进行了验证。

1 基于LT-GaAs外延片的THz天线的制备及其性能表征

1.1 LT-GaAs外延片结构及其制备

本研究所采用的基底结构示意图如图1所示，首先在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)基底上生长砷化镓(GaAs)缓冲层和砷化铝(AlAs)牺牲层，然后外延生长出LT-GaAs层，制备出LT-GaAs外延片。该外延片的制备方法在很多文献中均有报道，因为砷化镓材料的介电常数较高，THz波在传输时会有很大损耗，所以外延片上的AlAs牺牲层就是为了采用选择性腐蚀的方法得到LT-GaAs薄膜，再将其转移到新的衬底上，依靠薄膜和基底之间的范德华力实现键合。

图1 LT-GaAs外延片结构Fig.1 Epitaxial wafer structure of LT-GaAs

本研究在前期的工作中，也采用该结构的外延片进行了LT-GaAs的揭膜、转移及键合工作，但是存在制备周期较长、薄膜在转移过程中容易破碎、成功率较低以及腐蚀液具有毒性等问题[10]。因此，本研究直接在上述的外延片上利用光刻微加工工艺制作所需的结构，在不考虑损耗的情况下验证片上系统传输太赫兹波的可行性。基底结构中GaAs和AlAs的厚度分别为80和200 nm，生长温度为580和550 ℃，LT-GaAs需要在200 ℃的低温环境下生长，厚度为2 μm，最后在615 ℃的环境下完成15 min的退火。这样制备的LT-GaAs载流子寿命短，击穿电场高，迁移率大[11]，满足光电导开关的要求。

1.2 THz天线的制备

利用真空蒸镀技术，将LT-GaAs外延片制成THz天线，天线的结构采用的是偶极形。首先，将外延片裁切成2 mm×5 mm的尺寸，把直径为200 μm的铜线绑在外延片中间，然后将外延片固定在蒸镀板上，放入2HD-400高真空蒸发镀膜机中，先后分别蒸镀20 nm厚的铬和250 nm厚的金，其中金的纯度为99.999%，先蒸镀铬是为了便于金的附着。由于铬和金都是垂直向上蒸镀，且样品倒置，所以中间铜线自身的厚度不会影响到天线电极的制备，也不会对天线性能造成影响。取下铜线后，电极部分自然保留了蒸镀上的金，间隙为200 μm的THz天线就制备完成。由于要蒸镀的铬和金是放置在仪器底部的蒸发舟上，与外延片分开，所以铬和金在熔化蒸镀过程中不会影响外延片，在整个蒸镀过程中，外延片的温度都保持在30 ℃左右。图2(a)是经过真空蒸镀后的外延片天线，需要使用导电银胶将其与印刷电路板(PCB)上的贴片焊盘粘贴，如图2(b)所示。实验时，THz光斑需要照射在产生天线的间隙处，并且在PCB的电源引脚上加载直流脉冲电压，如图2(c)所示。

图2 电极间隙为200 μm的LT-GaAs外延片THz天线(a)：带电极的LT-GaAs外延片；(b)：固定在PCB板上的外延片天线；(c)：自制天线成品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 测试光路

用波长为800 nm的飞秒激光对自制的LT-GaAs外延片天线进行测试，激光脉冲的重复频率为82 MHz，脉宽为100 fs。飞秒激光首先经过半波片(HWP)，它的作用是调节泵浦光路和探测光路中的激光功率，然后经过分束镜(PBS)后分为两束，一束为泵浦光，另一束为探测光，泵浦光束经过时间延迟线后照射在THz产生天线上，天线产生的THz波经过两个离轴抛物镜后与探测光束合束在具有相同结构的探测天线上。当两路光路光程相等时，可以对辐射出的THz波进行逐点探测，进而描绘出THz时域谱图[12]，测试光路如图3所示。

图3 LT-GaAs外延片天线测试光路Fig.3 Test optical path of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

1.4 THz天线的性能表征

在进行实验前，首先对最合适的实验条件进行了探索，测试了光路中两束光的光功率的比值对THz信号峰值的影响。将THz产生天线和探测天线分别置于如图3所示的位置上，在产生天线上加载100 V的脉冲直流电压，并且通过调整天线前的凸透镜，使得激光光斑聚焦并对准在天线间隙处，以激发和检测THz信号。在激光总功率为600 mW，产生天线两端电压不变的条件下，探测THz时域谱的峰值信号强度，结果如图4所示。可以发现，当探测路的激光功率为150 mW，泵浦路为450 mW，即功率之比为1∶3时，测得的信号最佳。探测到的THz时域谱如图5所示。

图4 LT-GaAs外延片天线探测光功率与THz信号峰值的关系图Fig.4 Relationship between detection power and THz signal peak of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

图5 LT-GaAs外延片天线THz时域谱图Fig.5 THz time domain spectrogram of LT-GaAs epitaxial wafer antenna

测试结果表明，THz信号的整体性好且重复率高。时域谱上的第二个峰值信号是由于THz波先后在天线基底的前后表面发生反射而形成的，在后续的片上系统的研究中，激光是倾斜入射，且THz波是沿着传输线横向传播的，所以，在一定程度上可以减小回波的影响。基于LT-GaAs外延片的天线既可以产生THz波，也可以探测THz波，为THz片上系统的集成化打下了基础。

2 集成化的THz片上系统

2.1 光刻工艺

对于集成化的THz片上系统，其表层结构需要通过光刻微加工工艺制备。首先制作掩膜版，采用透光部分达到50%以上的正版，实验时使用正胶(S1813)进行光刻，与AZ-5214光刻胶不同，S1813在制作过程中不易反胶[13]，不会影响后续步骤。然后经过甩胶—前烘—光刻—显影—清洗—后烘的步骤后，所得到的是与掩膜版对应的留有光刻胶的图形，最后利用离子束刻蚀工艺，打掉未被光刻胶覆盖的金和铬。图6是片上系统掩膜版的实物图，中间部分为传输线的有效部分，长度为1 mm，左右半圆形回环弯绕部分为非传输区域的适当延长，以防止回波信号的影响，其两边的长度均为13 cm。

图6 片上系统掩膜版实物图Fig.6 Physical picture of mask system on chip

2.2 片上系统的集成

LT-GaAs外延片天线在THz频段的实用性已经得到验证，接下来直接在外延片上制备电极和传输线，实现芯片的集成化，研制出THz片上系统，其结构及测试示意图如图7所示。系统中THz的产生和探测均采用偶极形天线，电极大小为1.5 mm×70 μm，电极与传输线间距为60 μm，两个电极间正对距离为140 μm，两激光光斑间的传输线长度为1 mm，宽度20 μm，整个表层的导体厚度为250 nm，其中金的厚度为230 nm，金下方的铬是20 nm。

图7 THz片上系统示意图Fig.7 Diagram of THz system on chip

2.3 测试光路

利用800 nm的激光激励自制的LT-GaAs外延片天线来产生太赫兹波已被证实可行，但是采用双光子吸收的机理，利用1 550 nm的飞秒激光激励天线也可以得到THz波[14]。因为LT-GaAs的能带间隙为1.42 eV[15]，而1 550 nm的激光的单光子能量仅仅0.8 eV，所以LT-GaAs半导体材料中的每个载流子需要吸收两个光子的能量才能完成跃迁，进而辐射出THz波。为了检验片上系统可行性，同时验证双光子吸收效应，本研究重新搭建测试系统，使用1 550 nm的飞秒激光对自制的太赫兹片上系统进行测试。

测试系统中的光路分为泵浦和探测光路，并且引入机械平移台实现信号的逐点扫描。片上系统的优势是不需离轴抛物面镜和光路准直器件，减少了系统的尺寸[16]，测试光路如图8所示。

图8 片上系统测试光路Fig.8 Test optical path of system on chip

3 片上系统的性能表征

分别将泵浦光路和探测光路中的飞秒激光以一定角度聚焦在THz产生端和探测端的光电导天线间隙上，这种方式比垂直入射时信号耦合效率高，两束激光入射方向与竖直方向的夹角分别为30°和15°。产生端由外加偏压提供的能量，可以使LT-GaAs中的自由载流子加速运动，从而辐射出THz波，THz波信号经传输线传播后到达探测端，与探测激光相互作用，经锁相积分进而在电脑上得到THz波形。由于THz波在片上系统中传播时，电磁场在传输线、介质基底和自由空间都有分布，所以，对其研究可以引入等效介电常数εeff，其总的损耗主要由传输线的导体损耗和外延片基底的介质损耗构成，式(1)[17]中第一项εeff，εr和tanδ是与基底有关的相关参数。由于GaAs的介电常数εr较高，介质损耗比采用转移LT-GaAs薄膜制成的芯片大，所以，后续的工作将会继续探索具有低介电常数且适合作为LT-GaAs外延片基底的材料。第二项中w，Z0是表层金属结构的相关参数，所以可以通过进一步优化传输线结构来提高传输信号频率，鉴于本工作所研究频段在1THz以内，辐射损耗并不占据主要地位，所以在式(1)中没有列出。

(1)

式(1)中，α是THz片上系统的总损耗，αc是导体损耗，αd是介质损耗，εr是介质层的介电常数，εeff是有效介电常数，tanδ是介质层损耗角正切值，λ0是自由空间中的波长，f是结构上传输的频率，σ和μ0分别是电导率和真空中的磁导率，Z0是特征阻抗，w是有效宽度，在本研究中，w的值为20 μm。

实验时需要调节电压，使外加偏压变化，探测光路和泵浦光路中光功率比值仍为1∶3，飞秒激光的波长为1 550 nm，重复频率为100 MHz，脉宽为60 fs。锁相放大器的频率设置为10 kHz，与外加直流脉冲电压的频率一致。片上系统置于三维调节架上，便于调整。

图9 片上系统中THz时域谱图(a)：THz时域谱图(偏压=40 V)；(b)：THz时域谱图(偏压=70 V)(c)：THz时域谱图(偏压=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片上系统中THz信号的强度Table 1 THz signal strength in THz system on chip

(2)

另外，为了证明THz波是在片上系统中的传输线上传播的，将一铜箔垂直放置在传输线上方，并逐步靠近传输线，最近距离为500 μm，但在多次的采集过程中，THz信号都没有发生变化，这就证明了THz波是在传输线上传播而不是通过自由空间传播的。

4 结 论

基于LT-GaAs外延片开展了一系列THz研究工作，首先报道了一种简便快捷的方法制作外延片天线，其制作周期短，成品率高，且检测出的时域谱信号峰值明显，强度高。在此基础上，制备了太赫兹片上系统，采用1 550 nm波长的飞秒激光对其进行测试，获得了质量较高的THz波信号。然后，对THz波的幅值和外加电压进行了研究，发现随着外加偏压的增加，THz脉冲的峰峰值增加。最后通过用铜箔遮挡THz波传播的方法，验证了THz波沿片上系统中传输线传播的事实。本研究工作为THz片上系统与微流控技术相结合实现对液体样品和微量样品的探测提供了保障，为进一步拓展片上系统的应用领域打下了基础。