本实用新型属于信号探测领域，更具体地，涉及一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器。
背景技术：
太赫兹探测在机场安检系统、通信、电子对抗和无损检测等众多领域都有着广泛地应用。
常见的太赫兹探测器主要包括热探测器、肖特基二极管探测器。其中热探测器已经实用化，但是相应速度很慢，且灵敏度较低；肖特基二极管探测器带宽范围较窄。因此在要求高速、高灵敏度、多谱信号探测的场合下，现有太赫兹探测器的性能存在不足。这主要是由于现有的太赫兹探测器存在以下问题：1、太赫兹探测器的谱成像装置仍需配置复杂的驱动机构，体积和质量大；2、太赫兹探测器响应速度较慢。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其目的在于解决现有太赫兹信号探测器中存在的体积大和响应慢等技术问题。
为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，包括：衬底层，位于所述衬底层上的掺杂层，位于所述掺杂层上的二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极，位于所述二氧化硅层上的肖特基电极、普通电极；其中，所述超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括微米基元以及多个平面金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻金属纳尖单元间距为30～150nm；所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，其内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理；所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触。
进一步地，所述金属纳尖单元制作材料为钛和金，厚度分别为20～80nm和200～250nm。
进一步地，所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；所述掺杂层为n型砷化镓或p型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3。
进一步地，所述二氧化硅层厚度为100～300nm，所述二氧化硅层与所述超表面光学天线层位于同一层，所述金属纳尖单元之间以及内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理。
进一步地，所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
按照本实用新型的另一个方面，提供了一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，包括：衬底层，位于所述衬底层上的掺杂层，位于所述掺杂层上的二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极，位于所述二氧化硅层上的肖特基电极、普通电极；其中，所述超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括多个周期性排列的立体结构单元；所述立体结构单元为棱台结构，延长线尖角为10～90度，底部边长为200nm～30μm，顶部边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm；所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，其内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理；所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触。
进一步地，所述棱台的棱边数目为4或5。
进一步地，所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；所述掺杂层为n型砷化镓或p型砷化镓，厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3；所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本实用新型提供的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器中，超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括微米基元以及多个平面金属纳尖单元；其中，微米基元为微米结构，金属纳尖单元分布在微米基元各个边的内侧或外侧。如此，由于超表面光学天线采用的纳尖单元对入射太赫兹信号波段电磁信号具有极强的局域表面等离激元感应能力，一旦与对应的太赫兹信号产生局域表面等离激元振荡，其响应速度属于超高速响应，能够在极短时间内产生极强的响应信号；同时，本实用新型采用微纳结构，在满足较好探测性能的前提下，大大减小了太赫兹信号探测器的成本。
(2)本实用新型提供的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，通过设置超表面光学天线层中的纳尖结构、周期和数目等参数，可以改变超表面光学天线层中纳尖的锐度和纳尖电子浓度，进而控制纳尖信号强度，从而实现太赫兹信号探测。同时，由于超表面光学天线的制作采用纳米工艺，在1mm2尺寸内可以集成数百万～数千万个纳尖感应单元，因此基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器体积很小、重量很轻。
(3)本实用新型又提供了一种超表面光学天线层包括周期性排列的多个立体的结构单元的太赫兹信号探测器，由于立体的结构单元为棱台形状，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性并使能量集中在棱上，更利于检测。
(4)本实用新型提供的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，只需要低压直流或交流信号等少量电子资源辅助其进行工作，从而节省了外围电路资源。
附图说明
图1是本实用新型提供的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器的纵向剖面示意图；
图2是本实用新型提供的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器的俯视示意图；
图3是本实用新型实施例一提供的微纳结构示意图；
图4是本实用新型实施例一提供的微纳结构中金属纳尖单元的结构参数示意图；
图5是本实用新型实施例三提供的立体结构单元的结构参数示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
参阅图1，结合图2，一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，包括：包括衬底层1、掺杂层2、二氧化硅层3、超表面光学天线层4、欧姆电极5、肖特基电极6和普通电极7。其中，掺杂层2形成在衬底层1上面，二氧化硅层3被制作在掺杂层2上面，超表面光学天线层4被制作在掺杂层2上面，欧姆电极5被制作在掺杂层2上面，肖特基电极6被制作在二氧化硅层3上面，普通电极7被制作在二氧化硅层3上面，欧姆电极5和肖特基电极6分别位于超表面光学天线层4的左右两端，普通电极7和肖特基电极6分别位于超表面光学天线层4的左右两端。肖特基电极6和普通电极7均与超表面光学天线层4连接，超表面光学天线层4与掺杂层2形成肖特基接触，欧姆电极5与掺杂层2形成欧姆接触。
具体的，衬底层1可选用但不限于半绝缘砷化镓，还可以是硅、三氧化二铝等，厚度为200～500μm。当衬底为gaas衬底时，掺杂层为n型gaas层或p型gaas层；当衬底为si衬底时，掺杂层为n型si层或p型si层。其中，当掺杂层为n型时，可选用五价杂质元素磷(p)作为掺杂剂；当掺杂层为p型时，可选用三价杂质元素硼(b)作为掺杂剂；掺杂层2厚度为1～2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3。
欧姆电极5可选用但不限于镍、锗、金，其厚度优选为20～80nm、100～300nm和20～80nm；肖特基电极6可选用但不限于钛、金，其厚度优选为20～80nm和100～250nm；普通电极7可选用但不限于钛、金，其厚度优选为20～80nm和100～250nm。
参阅图3，超表面光学天线层4为具有周期性纳米结构的金属层，宽度为2～10mm；超表面光学天线层4包括微米基元41以及多个平面金属纳尖单元42，其中，微米基元41为微米结构，形状为多边形；需要说明的是，微米基元41还可以是弧形结构；金属纳尖单元42分布在微米基元41各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性。本实施例中，微米基元为长方形，各金属纳尖单元分布在微米基元四个边的外侧，构成微纳结构，在满足较好探测性能的前提下，大大减小了太赫兹信号探测器的成本。需要说明的是，超表面光学天线层4中相邻的金属纳尖单元42无需相连。
进一步地，通过设置超表面光学天线层4中金属纳尖单元的周期、数目以及金属纳尖单元的几何参数，改变超表面光学天线层中纳尖的锐度和纳尖电子浓度，进而控制纳尖信号强度，实现太赫兹信号的精确探测；参阅图4，通过设置超表面光学天线层4中单个金属纳尖单元宽d＝20～80nm，高h＝80～300nm，尖角θ＝10～60度，金属纳尖单元间距p＝30～150nm，使探测器工作于太赫兹波段。当目标电磁波信号8垂直入射到超表面光学天线层4后，将产生极强局域表面等离激元效应，从而迅速获得信号探测能力；在常规背景以及环境信号干扰较小情况下，通过施加带负载电阻的2v电压于肖特基电极6和普通电极7上，增强纳尖电子浓度和信号强度，金属纳尖可以探测到太赫兹电磁波信号；在入射电磁波信号较弱情况下，通过施加0.1～5v反向直流偏压于肖欧姆电极5和肖特基电极6上，使得超表面光学天线层4的金属与掺杂层2接触区域的耗尽层宽度增大，增强超表面光学天线层4的纳尖信号强度，实现太赫兹信号的探测。
实施例二
一种基于实施例一提出的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
s1、在衬底1上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成掺杂层2，其厚度为1μm～2μm；本实施例中，以衬底层1为半绝缘砷化镓，掺杂层2为n型砷化镓为例；
s2、在掺杂层2上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层3，其厚度为100nm～300nm；
s3、在二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度为二氧化硅层的厚度，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的ni/ge/au层(其厚度分别为20～80nm/100～300nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层2欧姆接触的欧姆电极5；
s4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度大于二氧化硅层的厚度，形成肖特基接触孔；
s5、在二氧化硅层上采用正胶工艺光刻超表面光学天线层中微米基元的结构图形，并采用电子束蒸发法形成所述微米基元，所述微米基元与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触；
s6、在二氧化硅层3上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的ti/au层(其厚度分别为100～250nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极6和普通电极7；
s7、在所述二氧化硅层上通过电子束光刻法，生成所述超表面光学天线层中多个金属纳尖单元所组成的平面结构；通过感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀，得到宽度为2～10mm的超表面光学天线层，所述超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。其中，超表面光学天线层4直接与掺杂层2接触，肖特基电极6位于二氧化硅层3上，且肖特基电极6和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm，普通电极7位于二氧化硅层3上，且普通电极7和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm。
本实用新型采用了普通电路和肖特基二极管一体化结构，其以超表面光学天线层的金属纳尖单元作为感光(波)介质，通过纳尖处的局域表面等离激元效应获得信号探测能力；通过上述制备方案集成于以单片砷化镓为衬底的器件中，实现太赫兹信号探测器。
实施例三
本实施例提供了另一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，除超表面光学天线层4的具体结构与实施例一不同外，其他均与实施例一相同，此处不再赘述。
在本实施例中，超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括多个周期性排列的立体结构单元；其中，立体结构单元为直立棱台结构，棱边数目优选n＝4或5。
参阅图5，以n＝4为例，该棱台延长线尖角α＝10～90度，底部a1、b1为200nm～30μm，顶部a2、b2为50nm～10μm，高h为300nm～5μm；
由于立体结构单元为直立棱台结构，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性并使能量集中在棱上，更利于检测。
实施例四
一种基于实施例三提出的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器的制备方法，包括以下步骤：
s1、在衬底1上通过金属有机化合物化学气相淀积法注入si离子，掺杂浓度为1×1016cm-3～9×1018cm-3，由此形成掺杂层2，其厚度为1μm～2μm；本实施例中，以衬底层1为半绝缘砷化镓，掺杂层2为n型砷化镓为例；
s2、在掺杂层2上通过等离子体增强化学气相淀积法制备二氧化硅层3，其厚度为100nm～300nm；
s3、在二氧化硅层3上通过正胶工艺光刻欧姆电极接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对欧姆电极接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度为二氧化硅层的厚度，得到欧姆电极接触孔；通过负胶工艺光刻欧姆电极图形，并采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的ni/ge/au层(其厚度分别为20～80nm/100～300nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶，退火合金后在欧姆电极接触孔处形成与掺杂层2欧姆接触的欧姆电极5；
s4、在二氧化硅层上通过正胶工艺光刻肖特基接触孔图形，并采用湿法腐蚀工艺对肖特基接触孔图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，腐蚀深度大于二氧化硅层的厚度，形成肖特基接触孔；
s5、在二氧化硅层3上通过负胶工艺分别光刻肖特基电极图形和普通电极图形，采用电子束蒸发法依次蒸发堆叠在一起的ti/au层(其厚度分别为100～250nm/20～80nm)，剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别形成肖特基电极6和普通电极7；
s6、在所述二氧化硅层上通过电子束光刻法生成掩膜，通过感应耦合离子束刻蚀生成所述立体结构单元；通过电子束蒸发法或者磁控溅射镀膜法，得到宽度为2～10mm的超表面光学天线层，所述超表面光学天线层与掺杂层通过肖特基接触孔形成肖特基接触。其中，超表面光学天线层4直接与掺杂层2接触，肖特基电极6位于二氧化硅层3上，且肖特基电极6和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm，普通电极7位于二氧化硅层3上，且普通电极7和超表面光学天线层4之间的距离为1mm～5mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，包括：
衬底层，位于所述衬底层上的掺杂层，位于所述掺杂层上的二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极，位于所述二氧化硅层上的肖特基电极、普通电极；
其中，所述超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括微米基元以及多个平面金属纳尖单元；其中，所述微米基元为微米结构，形状为多边形；所述金属纳尖单元分布在所述微米基元各个边的内侧或外侧，对于入射的太赫兹信号具有局域表面等离激元特性；单个金属纳尖单元宽为20～80nm，高为80～300nm，尖角为10～60度，相邻金属纳尖单元间距为30～150nm；
所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，其内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理；所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述金属纳尖单元制作材料为钛和金，厚度分别为20～80nm和200～250nm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；
所述掺杂层为n型砷化镓或p型砷化镓，厚度为1～2μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述二氧化硅层厚度为100～300nm，所述二氧化硅层与所述超表面光学天线层位于同一层，所述金属纳尖单元之间以及内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
6.一种基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，包括：
衬底层，位于所述衬底层上的掺杂层，位于所述掺杂层上的二氧化硅层、超表面光学天线层、欧姆电极，位于所述二氧化硅层上的肖特基电极、普通电极；
其中，所述超表面光学天线层宽度为2～10mm，包括多个周期性排列的立体结构单元；所述立体结构单元为棱台结构，延长线尖角为10～90度，底部边长为200nm～30μm，顶部边长为50nm～10μm，高为300nm～5μm；
所述肖特基电极和所述普通电极均与所述超表面光学天线层连接，其内部的缝隙采用二氧化硅进行绝缘处理；所述超表面光学天线层与所述掺杂层形成肖特基接触，所述欧姆电极与所述掺杂层形成欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述棱台的棱边数目为4或5。
8.根据权利要求6所述的基于超表面光学天线的太赫兹信号探测器，其特征在于，
所述衬底层为半绝缘砷化镓、硅、或三氧化二铝，厚度为200～500μm；
所述掺杂层为n型砷化镓或p型砷化镓，厚度为1～2μm；
所述欧姆电极制作材料为镍、锗、金，厚度分别为20～80nm、100～300nm和20～80nm；所述肖特基电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm；所述普通电极制作材料为钛、金，厚度分别为20～80nm和100～250nm。
技术总结