太赫兹频率范围天线

技术领域

本发明涉及一种太赫兹(THZ)频率范围天线。更特别的，涉及一种基于 半导体材料的可调谐的太赫兹频率范围天线。

背景技术

在本申请的文本中，术语太赫兹频率范围指的是在0.1至30THz之间的电 磁频率范围。这个频率范围对应于在10至3000μm之间的波长范围或者0.4至 120meV的能量范围。太赫兹频率范围从而位于红外辐射和微波辐射之间的中 间。太赫兹频率提供了关于例如感测技术，成像技术，通信技术以及光谱学的 非常重要的科学和技术应用。例如，太赫兹时间解析光谱的最近进展已经允许 在具有皮秒分辨率的新型有机或无机电子材料中导电过程的研究。

包含的低能量激发的范围允许大量材料的无损检测。另外，由于太赫兹频 率范围内的电磁波长能够激发凝相介质的低频率振动模式以及分子中振动和转 动跃迁，因此通常，特定的相互作用发生使得太赫兹频率吸收光谱在测试中提 供分子的指纹。

由于电磁太赫兹辐射的这些特征，因此例如它可以有利地用于进行化学和 生物分子和制剂的光谱分析，这些分子和制剂包括太低的共振频率而不能采用 其他已知的手段如为红外光谱分析来检测。已经有报道，太赫兹频率范围光谱 分析提供关于药物应用和关于安全应用一些令人感兴趣的方面，例如爆炸检测 等。

然而，尽管存在可以有利地采用电磁太赫兹频率范围的许多令人感兴趣的 应用，但是到目前为止仅有很少的采用了太赫兹频率的方法和装置已经实现。 部分地，这起因于在太赫兹频率下感测造成在之前必须处理的新问题，例如， 太赫兹光谱器件可以以方便且紧凑的方式来实现。在太赫兹光谱分析的环境中 发生的一个问题是已知的台式太赫兹源提供相对低的功率。这导致已知器件中 的受限的灵敏度。从而，为了对于新的应用采用太赫兹频率范围提供的这些有 前景的特征，器件必须被研发为提供关于这些频率的更高的检测灵敏度和选择 性。

关于电磁频率光谱的其他频率范围内的应用，特别是对于光学频率范围， 采用等离子体共振的天线已经研发出来。例如，已经示出适当的等离子体共振 结构可以由金属结构产生。已经进行了研究，其中这种类型的天线已经示出了 与入射场(incoming field)的增强相互作用以及其中已经论证了这种天线对于在 光学频率范围内感测目的的理论适用性。关于10μm处的波长，已经论证了使 用金属纳米柱的感测，该柱的等离子体共振可以耦合到被检测材料的振动共振。 然而，在太赫兹频率处，金属具有大的介电常数值(在实部和虚部中都是)， 从而，已知的原理并不适用于提供太赫兹频率范围天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹频率范围天线，具有该天线的电子系统， 以及用于区分太赫兹信号和背景噪声、能够提供高灵敏度和高选择性的系统。 另外，该器件关于它们的工作频率是可调谐的。

该目的是通过权利要求1的太赫兹频率范围天线来解决的。太赫兹频率范 围天线包括半导体膜，其具有适于显示太赫兹频率范围内的表面等离子体的表 面。半导体膜的表面被构造为形成天线结构，其被设置为支持太赫兹频率范围 内的局部表面等离子体共振。由于太赫兹频率范围天线包括半导体膜，材料中 的载流子浓度和/或载流子迁移率可以容易地改变，例如通过改变温度、施加的 电压、光学激励等。以这种方式，表面等离子体(surface plasmons)的共振频率 可方便地进行调节/调谐。等离子体共振强烈依赖于天线的介电常数及其介电环 境。另外，天线结构可以使用本领域的半导体处理工艺如光刻和干刻和/或湿刻 来方便地在半导体膜的表面上或表面中结构化。另外，存在适当的半导体材料， 在太赫兹频率处具有相应于金属在光学频率处的介电常数值的介电常数值。已 经发现，由在太赫兹频率范围内具有等离子体共振的半导体材料制造的太赫兹 频率范围天线可以提供增强的检测灵敏度。通过天线结构的适当设计，局部表 面等离子体共振的电场可局部增强，这在传感器应用中引起太赫兹辐射和感测 目标之间的相互作用的增强。因此，期望改进的灵敏度。另外，利用这样的太 赫兹频率范围天线，可以对场增强进行调整以及改变共振。

优选地，天线结构包括至少两个元件，其构造在半导体膜的表面中或表面 内，并且在平行于半导体膜表面的方向上彼此间隔一个间隙。已经显示出由于 在太赫兹范围内的等离子体共振，因此这种结构能够产生几个数量级的局部电 场增强。另外，电场所实现的增强依赖于天线结构的形状和间隙尺寸。从而， 电场增强可以方便地通过改变这些参数进行调谐。该间隙应当沿着表面等离子 体的激发方向进行设置。

优选的，间隙具有的宽度在10nm和10μm之间，优选在50nm和200nm之 间的范围内。已经发现，这样的间隙宽度提供适当的电场增强。

如果天线结构由与半导体膜相同的材料构成，那么天线结构可通过已知的 半导体处理工艺在半导体膜的表面内方便地构造。

优选地，天线结构在平行于半导体膜表面的方向上具有大约10μm到 1000μm量级的尺寸并且在垂直于半导体膜表面的方向上具有大约0.5μm到 100μm量级的尺寸。已经发现，包括这些尺寸的天线结构特别适合于实现所需 的场增强和表面等离子体共振的局部化。

根据一个方面，提供了适合于附着预定分子的功能化表面。功能化表面可 以优选地提供在围绕天线结构的区域中和/或间隙的区域中。在这种情况下，可 以具有特定的可靠性地感测包括预定分子的化合物。

优选地，半导体膜的厚度在0.5μm到300μm之间。已经发现，具有一些μm 的这种厚度的半导体膜特别适合于显示所使用的表面等离子体共振。

优选地，半导体膜设置在对于太赫兹频率范围内的电磁辐射透明的基板上。 一种特别合适的基板是石英。在这种情况下，太赫兹频率范围内的表面等离子 体共振能够可靠地产生。

如果太赫兹频率范围天线适于插入在太赫兹频率产生器和太赫兹频率检测 器之间，那么太赫兹频率表面等离子体能够可靠地产生在半导体表面上并且天 线区域中的相互作用可以由太赫兹频率检测器检测。

优选地，太赫兹频率范围天线包括压电基板或压电中间层。例如，半导体 膜可形成在这样的压电结构上。在这种情况下，天线结构的尺寸和/或形状可采 用压电元件的压电属性来改变。因此，天线属性的调节以特别方便的形式实现。

优选地，半导体膜包括InSb或InAs(或任何高迁移率半导体材料)作为基 材。由于它们的低带隙，低电子有效质量和高电子迁移率，使得这些半导体材 料特别适合于这种应用。这允许灵敏以及很好限定的共振。然而，应当注意， 使用其他Ⅲ-Ⅴ半导体材料也是可能的(具有期望的较低性能)。术语“基材(base  material)”用于阐明半导体膜不是必然需要包括纯的材料而是掺杂的(这关于半 导体是通常采用的)或者其他变型是可能的(甚至期望的)。

优选地，天线结构被设置为表面等离子体共振的电场在天线结构的区域中 局部增强。在这种情况下，实现增强的灵敏度。例如，这样的增强可以通过包 括两部分的天线结构来实现，该两部分沿着表面等离子体的激发方向分隔一定 间隙。增强可进一步通过包括至少一个锐角的天线结构来实现。

优选地，天线被设置为一个阵列(周期或非周期的)，以便通过组合几个 天线的响应来增强天线响应的强度。

该目的还通过包括这种太赫兹频率范围天线的工作于太赫兹频率范围内的 (光)电子系统来解决。电子系统实现关于太赫兹频率范围天线的以上描述的优 点。优选地，该系统是感测系统、通信系统、成像系统、信号处理系统和光调 制系统中之一。

该目的还通过区分太赫兹信号和背景噪声的系统来解决，该系统包括：包 括根据权利要求1-11任一权利要求的太赫兹频率范围天线的调制器，该调制器 适于以预定的调制速率调谐在太赫兹频率范围天线区域内的表面等离子体的共 振，该系统还包括：由预定调制速率控制的检测器。在这种情况下，检测器被 锁定到提供给太赫兹频率范围天线的调制上。这样，实现了高灵敏度和高选择 性的检测。

该目的还通过根据权利要求15的用于调谐太赫兹频率范围天线响应的方法 来解决。该方法包括步骤：通过改变天线结构的几何形状或通过改变半导体膜 的材料特性来调谐响应。天线结构的几何形状可在操作中例如通过采用压电结 构来改变。可以改变的半导体膜的材料特性包括例如载流子浓度、载流子迁移 率，等等。

附图说明

本发明进一步的特征和优点将在对于实施例的结合附图的具体描述中显现 出来。

图1示意性示出了太赫兹频率范围天线与太赫兹频率产生器以及太赫兹频 率检测器一起的侧视图。

图2a示意性示出了第一实现方式中太赫兹频率范围天线的天线结构区域的 顶视图。

图2b示意性示出了第二实现方式中太赫兹频率范围天线的天线结构区域的 顶视图。

图3a描述了与图2a相似的天线结构的表面等离子体共振的电场强度。

图3b描述了与图2b相似的天线结构的表面等离子体共振的电场强度。

图4描述了对于天线结构的不同尺寸，对于与图2a相似的天线结构的间隙 区域中电场强度的所实现增强。

图5描述了对于不同的间隙宽度，依赖于电子浓度的间隙内的电场增强。

图6描述了对于不同的电荷载流子密度，依赖于频率的归一化散射截面。

具体实施方式

现在将参考附图描述实施例。图1中示意地示出了根据该实施例的太赫兹 频率范围天线1。太赫兹频率范围天线1包括基板2，在基板2上沉积了薄的半 导体膜3。基板2由对于具有在太赫兹频率范围内的频率的电磁辐射透明的材料 如石英或其他这样的材料形成。半导体膜3的厚度d(在图1中的垂直方向，即 垂直于基板延伸的平面的方向上)为几μm，例如0.5μm和100μm之间，也可 能高达300μm。根据该实施例，半导体膜3包括InSb(铟/锑)作为基材。然而， 半导体膜3并不限于纯InSb，而是掺杂材料也是可以的，甚至是优选的，这通 过下面的描述将会变得清楚。半导体膜3可使用本领域已知的多种方式沉积在 基板2上，这些方式例如溅射、蒸镀、气体沉积等。另外，半导体膜3还可如 本领域已知的那样进行退火以精细调节半导体材料的特性。

作为上述InSb的替代材料，半导体膜3还可由InAs(砷化铟)作为基材或 其他合适的半导体材料形成。然而，应当注意，InSb和InAs由于它们的低带隙、 低电子有效质量以及高电子迁移率而是优选的基材。将在下面的描述变得更加 清楚，这些特征允许灵敏和很好限定的表面等离子体共振。选择半导体膜3是 因为该材料在太赫兹频率处的介电常数适于在界面(表面等离子体偏振子)处 引起电子的集体运动。从而，在该方面，该材料在太赫兹频率处展现出来的特 性与那些金属在光学频率处所展现出来的特性是相似的。

半导体膜3的表面被处理为具有天线结构4。通过已知的半导体处理工艺， 例如光刻和干和/或湿刻，将天线结构4提供给半导体膜3。天线结构4由与半 导体膜3相同的材料构成，并且分别被构造在它的表面内或表面上。优选半导 体膜被完全刻蚀/切割透，以及天线通过电介质彼此分隔开并且从表面突出。天 线结构4可通过薄膜领域中可得到的已知微制造工艺来制造。

根据该实施例，天线结构4包括两个元件4a和4b，这两个元件在沿着半导 体膜3表面的方向上彼此分隔开一个小间隙g来定位。从半导体膜3表面的顶 部观察时，元件4a和4b可包括多种不同的形状，这将参考图2a和2b进行描 述。图2a和2b分别示意性示出了天线结构4形状的两个实例。应当注意，图 2a和2b中示出的形状仅仅是例子，而不打算限制本公开的范围。很多其他的形 状是可能的。两个元件4a和4b被设置为间隙g沿着半导体膜3内表面等离子 体的激发方向取向。

图2a示出了一个实例，其中天线结构4的元件4a和4b的每个具有矩形形 状，而图2b示出的实例中，天线结构4的元件4a和4b的每个具有三角形形状 (相应三角形的边指向彼此并且包围间隙g)。由于天线结构4包括由间隙g分 隔开的元件4a和4b，因此它形成了偶极天线。应当注意，元件4a和4b的锐角 (如图2b示出的情况)是优选的，这是由于锐角对于在间隙区域中产生增强的 电场是有利的，这将在下面进行描述。

天线结构4的元件4a和4b在平行于半导体膜3表面的方向上包括在10μm 到1000μm之间的尺寸。在垂直于半导体膜3表面的方向上，天线结构4包括 在0.5μm到100μm之间，还可大至300μm的尺寸。间隙g的宽度Δ(从元件 4a到元件4b)在10nm到10μm之间。

例如，太赫兹频率范围天线1可设置在太赫兹频率产生器5和太赫兹频率 检测器6之间，如图1所示意图示的。应当注意，太赫兹频率产生器5和太赫 兹频率检测器6在图1中仅仅是示意性的。太赫兹频率产生器5在结构化半导 体膜3上产生太赫兹频率范围内的表面等离子体。太赫兹频率范围检测器6适 于检测太赫兹频率表面等离子体。由太赫兹频率范围产生器5和太赫兹频率范 围检测器6所形成的太赫兹路径可例如利用飞秒激光器和非线性晶体或者集成 为紧凑的、全电子器件。

已经发现，上述的天线结构4能够局部增强天线结构附近的电场。另外， 使用这样的天线结构4，有可能聚集元件4a和4b之间的间隙内的场并实现入射 场强度约10³倍量级的巨大场增强。这些效应是由于太赫兹频率范围内等离子体 共振的产生所造成的。场的聚集和场增强引起了电磁太赫兹辐射与放置在天线 区域内的材料之间相互作用的增强。可以利用这种效应来改进化合物感测应用 中的灵敏度(例如用于感测应用中的太赫兹频率范围天线)。所实现的天线等 离子体共振的特征在于散射截面内的光谱共振。从而，根据实施例，提供了由 半导体材料制造的太赫兹频率范围天线，其支持太赫兹频率范围的等离子体共 振。对于感测应用，由于太赫兹频率范围内分子的特定光谱特征而引起的传感 器固有选择性，因此太赫兹频率范围内的操作是非常有利的。

上述的太赫兹频率范围天线在远场光谱内表现出特性共振特征。太赫兹频 率范围天线的消光截面在表面等离子体的共振频率附近呈现出一定的增强。例 如，这可在传输实验中被检测。通过与周围环境的交互作用，消光截面形状的 改变出现。例如，特别地，利用上述太赫兹频率范围天线可以检测感兴趣区域 内具有强烈吸收线的气体的存在。

位于间隙附近的电磁场的上述巨大增强可应用于需要强太赫兹频率场的地 方。例如，作为电磁场和该区域内存在的物质之间更强的相互作用的结果，非 线性效应可增强。从而，关于传感器应用，传感器的增加灵敏度产生。

参考图2a和2b说明这样的太赫兹频率范围天线的间隙g的区域内实现电 场增强的实例。图3a描述了对于具有矩形形状的InSb天线，在1.62太赫兹频 率处以对数刻度的电场的近场强度分布。水平轴对应于平行于半导体膜3表面 的第一轴，垂直轴对应于天线的高度，垂直于与电介质形成的介面。显示结果 是使用电磁场解算器由2D计算得到。已经证明，天线截面的2D计算适当地描 述3D结构(O.L.Muskens，J.Gomez-Rivas，V.Giannini，and J.A.Sanchez-Gil， ″Optical scattering resonances of single and coupled dimer plasmonic nanoantennas″ Opt.Expr.Vol.15，pp.17736-17746，Dec.2007。灰度级对应于归一化到入射场强 度的电场强度。元件4a和4b以及间隙g可以在说明中清楚的看到。从图3a中 可看到，在间隙g的区域内发生了巨大的电场增强。

图3b示出了对于三角(蝴蝶结)形元件4a和4b在2太赫兹频率处的相应 说明。可以看到在间隙g的区域内发生了巨大的电场增强。

从而，使用上述的太赫兹频率范围天线，等离子体共振的激发在近场内诱 发强电场，其在天线结构4的间隙内增强了几个数量级的系数。这种增强是天 线结构4与入射电场之间相互作用增强的标志。

下面将会描述本太赫兹频率范围天线的另外一个特征。由于太赫兹频率范 围天线1由半导体材料形成，因此太赫兹频率范围天线的特征可容易地以多种 方式进行改变。

已经发现，等离子体共振强烈地依赖于用于制造天线的材料的形状、尺寸 和介电常数，以及它的介电环境。特别地，场的增强和消光截面的大小非常依 赖于天线的几何形状。共振条件依赖于多个几何参数，例如天线结构的长度和 宽度、天线结构的厚度、以及间隙的宽度。使用已知的半导体处理工艺，天线 结构4的元件4a和4b的形状、元件4a和4b的尺寸、以及间隙g的宽度可方 便的在处理阶段中进行限定。

参照图4，示出了间隙g区域内的实现的电场增强如何依赖天线结构4的尺 寸。图4描述了矩形天线结构4(与图2相似)实现的以灰度级为单位的间隙场 增强|E|²，其作为对于频率1.5太赫兹的长度L(在x轴上)和间隙宽度Δ(在y 轴上)的函数。从图4中可以看出，参数L和Δ的变化会引起天线结构4间隙 g内场增强的巨大变化。特别地，对于30μm＜L＜50μm并且Δ＜1.5μm，间隙g 内的电场获得了巨大增强。应当注意，间隙宽度D从3μm变化到小于1μm的 变化将导致间隙g内电场一个数量级的增强。已经发现，作为一般规则，当间 隙g的宽度Δ减小时，间隙g内的电场放大增强会实现。并且，当间隙宽度为 约100nm左右量级时，可实现间隙区域内电场的巨大增强。

总结来说，已经发现，减小间隙g的宽度将增强场强度，导致更高的灵敏 度。相似的，天线结构4内的一个或多个锐角也增强场强度从而提高灵敏度(图 3b)。

采用半导体处理工艺，可以提供太赫兹频率范围天线，其间隙宽度可以在 操作中变化。在这种情况中，太赫兹频率范围天线包括具有可调节宽度Δ的间 隙g。例如，这可以通过使用压电材料来达到，该压电材料允许通过施加(静) 电场来改变间隙的宽度。例如，可使用压电材料作为基板，或者提供压电材料 10的中间层10，例如，在基板2和半导体膜3之间。后一种情况在图1中由虚 线示意地示出。在这些情况中，天线结构4的间隙g可进行电控。

并且，当间隙g的宽度Δ减小时，表面等离子体共振的中心波长会移动。 从而，该中心波长的位置可通过改变间隙宽度Δ来进行调谐。

作为替换方式或补充，太赫兹频率范围天线1的特性可通过改变半导体膜3 和/或天线结构4内的载流子浓度或载流子迁移率来改变。图5描述了对于间隙 g的不同宽度Δ，间隙内电场的增强(y轴)作为电子浓度(x轴)的函数的相 关性。图5示出了InSb作为半导体材料以及频率在1.5太赫兹的这种相关性。 从中可以看出，等离子体太赫兹频率范围天线1的特性严重依赖于半导体材料 的电特性。从而，可通过改变载流子的浓度来控制间隙g内实际发生的电场增 强。另外，通过改变载流子浓度可改变太赫兹频率范围天线1的共振频率的位 置。这就意味着，通过改变载流子浓度可调谐太赫兹频率范围天线1。这使得调 节共振的光谱位置并因此与将被检测的分光特征的重叠成为可能。作为结果， 这导致灵敏度增强。

改变载流子浓度可通过例如改变温度(允许慢速调制/慢速改变)、光学激 发(允许快速调制/快速改变)、经由载流子注入的电调节(允许快速调制/快速 改变)等来实现。

另外，通过改变载流子浓度，可改变太赫兹频率范围天线1的散射截面， 这可从图6中看到。图6描述了包括具有矩形元件4a和4b的天线结构4的InSb 基太赫兹频率范围天线的归一化散射截面。图6示出了对于不同的载流子浓度 (不同符号)散射截面(y轴)作为频率(x轴)的函数的相关性。值对应于天 线结构的间隙宽度Δ为1μm，元件4a和4b的长度为40μm，天线结构的高度为 5μm。

与已经描述的通过改变载流子浓度来调谐太赫兹频率范围天线1相似的方 式，太赫兹频率范围天线1的特性可通过改变半导体材料中的载流子迁移率来 调节。

作为结果，提供了一种太赫兹频率范围天线1，其为有效地改变/调谐共振 并因此调谐增强和散射截面提供了可能性。这样的太赫兹频率范围天线1适合 于很多应用。例如，有效改变共振的可能性可以用于在特定频率处调谐电场的 增强。通过以已知的调制速率调谐天线结构4区域内的共振并将检测器锁定到 该调谐信号，该特征可以用于区分特定太赫兹频率处的信号和背景噪声，用于 灵敏度增强。

另一方面，有效改变共振的可能性可以用于改变频率，在该频率处场增强 发生以扫描整个光谱特征。这些特征可方便地应用在有源传感器和调制器上。

根据一个方面，可实现可调谐太赫兹发送器，现在就对它进行描述。首先， 设计太赫兹频率范围天线1具有特定的工作范围(通过采用上述制造方法的可 能性)。远场中典型的共振线宽大约为1太赫兹。通过改变天线结构4的长度、 宽度或厚度，可设计天线的中心波长。然后，制造后，如上面所说明的，通过 改变间隙宽度Δ可实现“操作中”调谐。这可例如通过使用压电材料来实现。当 间隙g的宽度Δ减小时，表面等离子体共振的中心波长移动。换句话说，当从 共振移开时，场增强的幅度就会减小。以这种方式，能够实现太赫兹频率范围 天线1的动态操作。另外，太赫兹频率范围天线1可通过改变载流子浓度和/或 载流子迁移率来调谐，正如上面所描述的。

从而，提供了一种基于半导体材料的新型电磁太赫兹频率范围天线，其能 够有效控制场增强(灵敏性)和用于光谱扫描和调制的共振位置。

当太赫兹频率范围天线1用于感测应用时，被感测的目标可集中在电场巨 大增强的天线间隙g处。这样，间隙g的区域可被功能化为感测元件。

除了应用于例如太赫兹光谱仪感测系统(其获得增加灵敏性)外，太赫兹 频率范围天线1还可用于很多其他应用，例如通信系统、成像系统、信号处理 系统、光调制系统等。太赫兹频率范围天线1可用于例如化学(气体)检测和/ 或生物检测的传感器中，用于检测有机材料例如聚合物或小分子的检测工具中， 有机或电子材料的无损检测中，成像系统中，医疗系统中(例如生物材料检测)， 通信器件的调制器中，生物医学诊断器件中(例如用于呼吸分析)等。

通过天线结构4的提出的小间隙实现的太赫兹辐射局部化至亚波长体积， 打开了响应太赫兹频率范围内电磁辐射的材料的局部检测之路。作为结果，增 强的灵敏性和低至1μm量级的亚波长检测成为了可能。