一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。该分子传感器由半绝缘砷化镓衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列。本发明通过将太赫兹光导天线与周期性金属谐振单元的距离缩短到3THz波长的范围内，利用近场增强提高了偶极子振荡的局部强度，增强太赫兹电磁谐振模式的强度，提高谐振模式的品质因子，从而提高THz分子检测的灵敏度和空间分辨率，简化了整个检测光谱系统的光学元件布局。
【专利说明】
一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体涉及一种用于生物医学和化学检测的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波段是指频率在112Hz,对应波长为300μπι，对应能级为0.41-41meV)范围内的电磁波。这一波段的能量正好与生物大分子的振动能级、偶极子的旋转能级和振动跃迀的能级相吻合，从而使得太赫兹(THz)技术在生物医学研究、化学品检验等方面显示了巨大的应用潜力。
[0003]目前，用来研究生物化学分子主要运用标准太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，通过一对离轴抛物面镜(Off-axis parabolic mirror)将微瓦量级的THz波聚焦到样品表面，然后再次利用一对离轴抛物面镜将透射THz波聚焦到THz接收天线或者电光采样晶体上，从而获得生物化学分子的特征信号。一般离轴抛物面镜焦距远大于太赫兹波长，按照电磁波理论，所获得的THz透射是在远场条件下得到的，在原理上存在着一个远场THz衍射极限，最小焦斑不超过THz半波长(λ/2)，在检验微量化学品或生物分子时，THz焦斑必须覆盖整个样品表面，当样品含量微小时，THz探测的灵敏度会受到影响。此外，THz光学元件的瑕疵、像差，以及光学元件准值引起的误差，进一步影响了入射THz波与样品耦合的效率，从而限制了THz光谱的空间分辩率。如何在低能耗、低成本条件下，对成份复杂，含量微小的生物化学分子实施快速高精度检测，成为了 THz技术应用于生物医学研究、微量化学品检验领域所面临的主要问题。
[0004]目前，基于亚波长尺寸的周期性人工微结构阵列，被认为解决上述问题的主要方案之一。如果将微量生物或化学分子样品添加到亚波长尺寸的周期性人工微结构谐振单元中，就会改变金属与半导体界面的介电环境，影响类表面等离子体(Spoof surfaceP Iasmon)的传播特性，从而改变透射峰的位置，迅速识别分子的种类。但是，当THz波激发密集的多个周期性人工微结构谐振单元中时，散射效应引起电磁共振峰增宽，THz耦合效率降低，从而导致器件品质因子(Q因子)的下降，限制了THz传感的灵敏度以及空间分辨率。
【发明内容】
[0005]本发明瞄准当前太赫兹技术在生物医学和化学品检测领域的应用需求，提供了一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。
[0006]本发明的第一目的在于提供一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，所述半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底的厚度为625μηι，尺寸IcmX Icm;所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成;每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接;两个内电极末端处间距为50μπι;所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，所述十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μπι;所述太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。
[0007]进一步的，所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm;所述T形电极的内电极的长度为2.975mm(其中矩形部分长度2mm，三角形部分底边到倒角的长度为0.975mm)，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25 V 2*45°的倒角。
[0008]进一步的，所述两个T形电极内电极末端处的中心对顶角角度90°。
[0009]进一步的，每个十字架电磁谐振单元形成在66.66μπιΧ 66.66μπι的矩形区域上，每个十字架电磁谐振单元的横轴与纵轴尺寸相等，均为长24μπι、宽4μπι，横轴下边沿与纵轴底部的距离为10Μ1，纵轴顶部到横轴上边沿的距离为ΙΟμπι，纵轴从横轴的正中间穿过，纵轴的中心线与66.66μηι X 66.66μηι矩形区域的中心线重合。
[0010]进一步的，所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为1mmX1mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同；其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的66.66μηι X 66.66μηι的矩形区域，每个66.66μηι X 66.66μηι的矩形区域上形成有一个十字架电磁谐振单元。
[0011]本发明的第二目的在于提供上述太赫兹近场激发型分子传感器的制造方法，包括如下步骤:
[0012]第一步:将半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
[0013]第二步:将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μπι;
[0014]第三步:对涂胶后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；
[0015]第四步:将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上，并显影、清洗；
[0016]第五步:在干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金;先蒸发十字架阵列金属层，再蒸发光电导天线金属层;先蒸发周期性十字架电磁谐振单元阵列的金属层，再蒸发太赫兹光电导天线的金属层；
[0017]第六步:将金属化后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999 %纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离S1-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在S1-GaAs上，从而获得太赫兹近场激发型分子传感器。
[0018]进一步的，在第一步中，将半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于去离子水中，并在1kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。
[0019]进一步的，在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面，并立即以600r/111；[11的低转速进行勾胶，维持108后，转速直接提高到30001'/1]1；[11的高转速进行用1胶，维持608，使得胶厚〈1.54111。
[0020]进一步的，在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底被放置于110 °C的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
[0021]进一步的，在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底转移到URE-2000/35 型紫外光刻机上 ，在样品表面曝光 60s 后 ，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面。
[0022]进一步的，第五步:将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999 %的钛粉末和99.999%的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空栗，将腔室内压强从标准大气压降低到10—4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.lnm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空栗，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
[0023]本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果:
[0024]本发明提出的太赫兹近场激发型分子传感器为一种全新混合型器件。通过采用标准半导体微加工工艺，通过将太赫兹光导天线和周期性电磁谐振单元阵列两个功能不同的分立器件集成在同一块半绝缘砷化镓(S1-GaAs)基片上，如同一枚正反面印制不同图案的硬币，通过将太赫兹光导天线与周期性金属谐振单元的距离缩短到3THz波长的范围内，利用近场增强提高了偶极子振荡的局部强度，增强太赫兹电磁谐振模式的强度，进一步提高谐振模式的品质因子，从而提高THz分子检测的灵敏度和空间分辨率，同时简化了整个检测光谱系统的光学元件布局。
[0025]利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，大大降低了成本。
[0026]采用金/钛电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性和可集成性。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的太赫兹近场激发型分子传感器中位于S1-GaAs正面的光电导天线的表面结构图；
[0028]图2为图1中A处的局部放大图；
[0029]图3为本发明的太赫兹近场激发型分子传感器中位于S1-GaAs背面的一个十字架型谐振结构顶视图；其中，黑色部分为金属十字架，空白部分为
[0030]S1-GaAs衬底;a为整体图，l^a图中B处的局部放大图；
[0031 ]图4为本发明的太赫兹近场激发型分子传感器的横截面示意图；
[0032]图5为本发明的太赫兹近场激发型分子传感器的透射频谱图；
[0033]图6为本发明的太赫兹近场激发型分子传感器的最大透射强度随偏置电压从5V变化到80V的关系图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例对本发明是如何实现的做进一步详细、清楚、完整地说明。
[0035]如图1-4所示，本发明的一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底的厚度为625μηι，尺寸IcmX Icm;太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成;每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，内电极的头端与外电极衔接;两个内电极末端处间距为50μπι;电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μηι;太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。
[0036]其中，T形电极的外电极长10mm、宽2mm;所述T形电极的内电极的长度为2.975mm(其中矩形部分长度2mm，三角形部分底边到倒角的长度为0.975mm)，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25 V 2*45°的倒角。两个T形电极内电极末端处的中心对顶角角度90°。
[0037]每个十字架电磁谐振单元形成在66.66μπι X 66.66μπι的矩形区域上，每个十字架电磁谐振单元的横轴与纵轴尺寸相等，均为长24μπι、宽4μπι，横轴下边沿与纵轴底部的距离为ΙΟμπι，纵轴顶部到横轴上边沿的距离为ΙΟμπι，纵轴从横轴的正中间穿过，纵轴的中心线与66.66μηι X 66.66μηι矩形区域的中心线重合。
[0038]太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10_X1mm的矩形区域，与电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同；其中，电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的66.66μηι X 66.66μηι的矩形区域，每个66.66μηιΧ 66.66μηι的矩形区域上形成有一个十字架电磁谐振单元。
[0039]本发明的上述太赫兹近场激发型分子传感器的制造方法如下:
[0040]第一步:将半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于去离子水中，并在1kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。
[0041]第二步:将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将ΑΖ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持1s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚〈1.5μmD
[0042]第三步:涂胶后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底被放置于110°C的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
[0043]第四步:将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面。
[0044]第五步:将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999 %的钛粉末和99.999 %的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空栗，将腔室内压强从标准大气压降低到10—4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以
0.lnm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空栗，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。先蒸发十字架阵列金属层，再蒸发光电导天线金属层，先蒸发周期性十字架电磁谐振单元阵列的金属层，再蒸发太赫兹光电导天线的金属层。
[0045]第六步:将金属化后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999%纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离S1-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在S1-GaAs上，从而获得太赫兹近场激发型分子传感器。
[0046]其中，太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列的金属层中，5nm厚钛金属做粘结层，120nm厚金能够与S1-GaAs形成欧姆接触。该金属层厚度超过THz电磁波的趋肤深度，无需在蒸镀后进行退火处理。
[0047]本发明制备的产品的特性，如图5和图6所示，是通过以下设备进行性能表征后获得的。该设备采用中国科学院赵红卫课题组自建的太赫兹时域光谱系统(在期刊论文Chemical Physics Letters 392(2004)348和Journal of B1logical Physics，32(2006)403中有描述)测量本发明的THz透射频谱。该系统包括:Spectra-Physics Mai Tai SP型高能量超短脉冲激光，2对直径I OOmm、焦距I OOmm的镀金离轴抛物面镜用来聚焦自由空间中的太赫兹辐射，通过由一块2mm厚的〈I 10>晶向的ZnTe晶体、1/4波片、Wol Iastom棱镜组成的电光米样系统表征出器件的太赫兹发射脉冲波形。
[0048]采用上述谐振单元的用于氮离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的性能体现在图5和图6中:其透射特性在0.1THz?3.0THz的测试频率范围内进行，发现其中心谐振频率位于
0.71THZ。图5(数据是归一化后的透过率)中的数据显示，该器件在0.71THZ处其透过率曲线的半宽全高值(Full
[0049]Maximum Half '^(1访:？]\1服)被压缩到0.011'取THz，对应的谐振品质因子达到71。
[0050]以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，其特征在于: 所述半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底的厚度为625μπι，尺寸IcmX Icm; 所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成;每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接;两个内电极末端处间距为50μηι； 所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，所述十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μπι ； 所述太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。2.根据权利要求1所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于:所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm;所述T形电极的内电极的长度为2.975mm，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25 V 2*45°的倒角。3.根据权利要求1所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于:每个十字架电磁谐振单元形成在66.66μηι X 66.66μηι的矩形区域上，每个十字架电磁谐振单元的横轴与纵轴尺寸相等，均为长24μπι、宽4μπι，横轴下边沿与纵轴底部的距离为ΙΟμπι，纵轴顶部到横轴上边沿的距离为ΙΟμπι，纵轴从横轴的正中间穿过，纵轴的中心线与66.66μπι X 66.66μm矩形区域的中心线重合。4.根据权利要求1-3任一项所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于:所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为1mmX 1mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同， 其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的66.66μπιΧ66.66Mi的矩形区域，每个66.66μηι X 66.66μηι的矩形区域上形成有一个十字架电磁谐振单元。5.根据权利要求1-4任一项所述的太赫兹近场激发型分子传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步:将半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干； 第二步:将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μπι; 第三步:对涂胶后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶； 第四步:将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上，并显影、清洗; 第五步:在干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金； 第六步:将金属化后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999%纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离S1-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在S1-GaAs上，从而获得太赫兹近场激发型分子传感器。6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:在第一步中，将半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于去离子水中，并在1kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持1s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行用胶，维持60s，使得胶厚〈1.5μηι。8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底被放置于110°C的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底表面。10.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:第五步:将干燥后的半绝缘砷化镓(S1-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999%的钛粉末和99.999%的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空栗，将腔室内压强从标准大气压降低到10—4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.lnm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空栗，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
【文档编号】B81C1/00GK105923600SQ201610387745
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】赵振宇, 宋志强, 郑孝波
【申请人】上海师范大学