本发明是一种用于发射太赫兹波的砷化镓纳米柱阵列，该结构可用于太赫兹时域光谱系统发射极天线上，有望提高太赫兹时域光谱系统的太赫兹辐射功率和效率。具体讲,涉及用于发射太赫兹波的砷化镓纳米柱阵列。
背景技术：
太赫兹波(terahertzwave，thzwave)是指频率为0.1-10thz的电磁波，它在电磁频谱中位于微波和红外辐射之间。由于太赫兹波段具有较低的光子能量、特异的穿透性和丰富的物质指纹谱等特性，使其可应用于无线通信、无损检测、人体安检、危化监测和医学诊断等重要领域。在与太赫兹技术相关的诸多研究领域中，太赫兹辐射源[1,2]的研究占据着关键位置。光电导天线[3-5]作为目前最广泛使用的脉冲太赫兹波发射器和探测器之一，备受研究者们的关注，它有着广泛的应用价值，可以应用在高分辨率成像及材料的太赫兹频谱分析等方面。太赫兹光电导发射天线的一种典型结构由光敏半导体基片和蒸镀在其上面的一对共面传输线(金属电极)组成，当用飞秒激光脉冲照射几十微米宽的电极间隙时，在该区域产成大量的载流子，载流子在加载于金属电极上的偏置电压的作用下加速运动形成瞬态光电流，瞬态光电流会辐射出能量谱在太赫兹波段的脉冲信号。砷化镓(galliumarsenide,gaas)是光电子学领域应用广泛的重要半导体材料，由于gaas具有迁移率高和暗电阻率高的优点，用gaas制作出来的光电导开关速度更快，效率更高，击穿电压较高，因此常用gaas作为光电导天线衬底材料[6]。但由于gaas在光波段的折射率较高，导致超过30％的入射脉冲光均被衬底层反射[7]，限制了光电导天线辐射太赫兹的效率，这是砷化镓光电导天线亟待解决的一个问题。
超材料的兴起为研究者们提供了新的研究方法和思路，超材料是一种具有超常物理特性的人工电磁结构，特指由微观单元排列而成、且能够用等效本构参数描述的人工结构。超材料的单元尺寸和排列间隔(或周期)远小于波长，因此得以对光波施加宏观影响，其宏观响应主要由单元本身的结构决定。众多超材料结构中，尺度在纳米量级的微结构阵列可以显著的将光局部化并加强到深亚波长[8]，这类超材料曾被集成在太赫兹光电导天线上，用于实现特定的功能：sang-gilpark等人[9]研究了集成在光电导天线上的金属纳米岛阵列，这些纳米岛作为离子纳米天线局域化泵浦光，泵浦光大面积的局域场增强导致太赫兹辐射的增加。s.ghorbani等人[10]研究了金属纳米粒结构对硅-蓝宝石太赫兹光电导天线的影响作用，通过在光电导天线间隙上设计金属纳米粒结构，将入射激光脉冲耦合到基底表面产生表面等离子体共振，增加基底的光吸收，因此增大光电流。faezehfesharaki等人[8]设计了离子纳米结构作为光电导太赫兹辐射源的减反层实现某一特定波长的反射率达到10％以下，在金属表面将场局域化。这些相关研究的特点是普遍采用了金属材质制备纳米量级的超材料，金属在光波段较大的欧姆损耗会严重抑制纳米离子共振，表面的氧化层也会改变纳米结构的光学性质。最近，全介质超材料成为一种很有前景的替代金属超材料的新方法，光敏半导体衬底作为一种非常易于加工的准电介质材料，还没有被提出以之制备超材料阵列，发射太赫兹波。鉴于此点，本发明提出了一种技术方法—在光电导天线发射天线衬底上设计纳米级柱状阵列超材料，以提高光电导天线产生太赫兹波的性能。
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[10]s.ghorbani,m.bashirpour,m.forouzmehr,etal.simulationofthzphotoconductiveantennasloadedbydifferentmetallicnanoparticles.ieee,62-64(2016).
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，提高纳米超材料对光电导天线性能的调制能力，本发明提出一种以光电导天线的半导体衬底材料为基础材料的纳米方柱阵列结构，该结构可直接制备在光电导天线金属电极结构中间，等效于增多了光生载流子的数量，增大了光电流，提高天线的辐射功率和效率。同时，纳米方柱阵列将飞秒激光光场局域在结构上，减小了飞秒激光在半导体中的趋肤深度，使载流子漂移运动方向更好的束缚在半导体表面。为此，本发明采用的技术方案是，砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置，由纳米结构层、光电导天线和硅透镜构成，纳米结构层由固定间隔周期性排列的柱状单元结构组成，纳米结构层布设在光电导天线衬底层正面的两根平行金属电极中间，所述柱状单元的一端与衬底层相连；硅透镜贴在光电导天线衬底层背面。
所述衬底层是一种厚度均匀的本征gaas层，纳米结构层的材料也是本征gaas。
工作波长为800纳米时，柱状单元的排列周期为350纳米，高度为150纳米，边长为164纳米，衬底层厚度为650微米。
光电导天线两电极之间的电流密度满足：
j(t)＝n(t)eμeb，
其中n(t)是时变的光生自由电子的密度，e是电子电荷，μ是电子的迁移率，eb则是偏置电场的场强，t为时间；
这一电流脉冲在远场的太赫兹辐射场强：
其中a是光生载流子照射的面积，ε0是真空介电常数，c是真空光速，z是场点距太赫兹波发射源的距离。
砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置制造方法，步骤如下：
1)纳米加工工艺，首先在gaas衬底上旋涂抗蚀剂，利用电子束对抗蚀剂的曝光而形成特定图案，然后利用反应离子刻蚀技术在带有曝光图案的gaas衬底上进行图形转移，从而得到由固定间隔周期性排列的柱状单元结构组成的纳米结构阵列；
2)微米加工工艺，首先在带有纳米结构阵列的gaas衬底上旋涂光刻胶，利用设计的光电导发射天线掩膜采用深紫外曝光技术对光刻胶曝光形成特定图案，然后将金属材料沉积进行图形转移，从而得到由gaas衬底及其正面两根平行金属电极组成的光电导发射天线结构。
本发明的特点及有益效果是：
介质结构的纳米结构层由固定间隔周期性排列的柱状结构组成，经过精确设计与模拟研究后，证实这种亚波长纳米结构在入射飞秒激光的全部波段内都具有显著的减反效果，且能将激光脉冲能量最大限度地局域在结构中，有效缩减飞秒激光在半导体衬底中的趋肤深度。泵浦飞秒激光的局域化光场将激发更多的载流子，提高光电导天线的光电流，从而提高辐射功率和效率。
附图说明：
图1是本发明所设计的一种优选实例的纳米介质超材料结构示意图，图(a)是部分结构正视图，图(b)是部分结构立体示意图，其中1是纳米结构层，2是衬底层；
图2是图1的局部放大图，是纳米介质超材料结构的最小结构单元示意图，其中1是纳米结构层的最小结构单元--方柱结构，2是衬底层；
图3是纳米介质超材料结构与光电导天线组合加工后的样品示意图，其中1是纳米结构层，2是光电导天线的衬底层，3是光电导天线的平行金属电极，4是硅透镜；
图4是用电磁场数值模拟软件cstmicrowavestudio分别模拟纯基底与所设计纳米阵列对飞秒光吸收率的示意图，红实线是纯基底对飞秒光的吸收率，蓝实线是纳米介质超材料对飞秒光的吸收率；
图5是用电磁场数值模拟软件cstmicrowavestudio分别模拟飞秒光正入射纯基底与所设计的最优结构得到的电场分布图，图(a)是纯基底的电场分布图，z＝0是空气与gaas材料的分界线，z>0代表空气，z<0代表gaas衬底；图(b)是带有纳米介质结构的样品的电场分布图，z＝0是纳米结构与衬底的交界面，z>0代表空气中的纳米结构，z<0代表gaas衬底。
具体实施方式
现有集成在光电导天线上的纳米结构均以采用金属超材料为主，但在实际应用中，金属纳米结构面临以下两个问题：1)较大的欧姆损耗劣化了纳米结构的性能，影响了对太赫兹辐射的增强能力；2)金属纳米结构因厚度的影响，其调制入射飞秒激光相位的能力有限，不能覆盖0至2π的相位全域。这两个主要问题会影响光电导天线的实际性能。
为了提高纳米超材料对光电导天线性能的调制能力，设计了一种以光电导天线的半导体衬底为基础材料的纳米方柱阵列结构，该结构可直接制备在光电导天线金属电极结构中间。纳米结构的引入提高了半导体衬底对入射飞秒脉冲激光的吸收率，等效于增多了光生载流子的数量，增大了光电流，提高天线的辐射功率和效率。同时，纳米方柱阵列将飞秒激光光场局域在结构上，减小了飞秒激光在半导体中的趋肤深度，使载流子漂移运动方向更好的束缚在半导体表面。
本发明要解决的技术问题在于，设计一种用于提高光电导天线衬底对入射飞秒激光吸收率的且易于加工的介质纳米结构阵列。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
以光电导天线衬底为微结构的基本材料。上述结构的设计所采用的材料与光电导天线衬底材料相同，均为本征gaas，因此可直接加工于光电导天线衬底表面，方便快捷。
所述介质结构由衬底层和纳米结构层两部分组成。衬底层是一种厚度均匀的本征gaas层，此设计中衬底层就是光电导天线的衬底，衬底层的作用是为纳米结构层提供附着层，纳米结构层是起到提高对入射飞秒激光吸收率的关键层。
所述介质结构的纳米结构层由固定间隔周期性排列的柱状结构组成，经过精确设计与模拟研究后，这种亚波长纳米结构在入射飞秒激光的全部波段内都具有显著的减反效果，且能将激光脉冲能量最大限度地局域在结构中，有效缩减飞秒激光在半导体衬底中的趋肤深度。泵浦飞秒激光的局域化光场将激发更多的载流子，提高光电导天线的光电流，从而提高辐射功率和效率。
所述集成在光电导发射天线上的纳米介质超材料的制造工艺分以下两个主要内容：
1)纳米加工工艺，主要采用的技术是电子束曝光技术和反应离子刻蚀技术。电子束曝光是利用某些高分子聚合物(称作抗蚀剂)对电子敏感而形成曝光图形的；反应离子刻蚀是离子辅助的化学反应过程，是在等离子体中发生的从材料表面通过逐层剥离的方法形成事先设计的图形和结构的技术。其中抗蚀剂的选择尤为重要，因为抗蚀剂的性能在一定程度上决定了曝光图形的精确度和能达到的刻蚀深度。本设计的具体加工过程是：首先在gaas衬底材料上旋涂抗蚀剂，利用电子束对抗蚀剂的曝光而形成特定图案，然后利用反应离子刻蚀技术在带有曝光图案的gaas衬底上进行图形转移，从而得到设计的纳米结构阵列。
2)微米加工工艺，主要采用的技术是光学曝光技术和材料沉积技术。光学曝光本质同电子束曝光，本设计采用深紫外曝光技术，将一层光敏物质(称作光刻胶)感光，通过显影使感光层受到光辐射的部分或未受到光辐射的部分留在衬底材料表面；然后通过材料沉积将感光层的图案转移到衬底材料表面。本设计的具体加工过程是：首先在带有纳米结构阵列的gaas衬底上旋涂光刻胶，利用设计的光电导发射天线掩膜采用深紫外曝光技术对光刻胶曝光形成特定图案，然后将金属材料沉积进行图形转移，从而得到带纳米阵列的光电导发射天线结构。
所述集成了纳米介质超材料的光电导发射天线搭配太赫兹时域光谱系统使用，替代原本的发射天线，通过实验检验其实际工作性能。
所述集成在光电导发射天线上的纳米介质超材料用于太赫兹时域光谱系统中，本发明针对一种最优的方柱结构给出数值模拟结果，根据模拟结果可以看出此结构完全达到了提高光电导天线衬底对入射飞秒激光的吸收率的预期效果。如图4所示，该设计将样品对飞秒激光的吸收率从67.17％增加到了99.97％，且在620nm-990nm波长范围内吸收率均在95％以上，因此纳米结构的引入有效的增加了光电导发射天线对超快激光的吸收率；如图5(a)所示，平面波入射时，纯基底结构存在较强的反射波；由于所设计的单元结构在一定频率范围内满足：
μ(ω)＝ε(ω)，
因此单元结构的波阻抗与自由空间的波阻抗值相等，即：
其中μ(ω)是单元结构的磁导率，ε(ω)是单元结构的介电常数，ω是频率，z是单元结构的波阻抗，z0是自由空间的波阻抗。因此当平面波入射到所设计的结构上时，这一频段的飞秒激光的反射波被大幅度地减弱了，如图5(b)所示，且纳米阵列能将飞秒激光局域在结构内；对比5(a)和5(b)两幅图可知该结构具有减反效果，这意味着增大了衬底光敏材料gaas对飞秒激光的吸收，从而激发更多的光生载流子，提高辐射功率。
由于自由电子的迁移率一般远高于空穴的迁移率，因此本发明讨论电荷迁移运动时仅考虑电子的贡献，光电导天线两电极之间的电流密度由下式表示：
j(t)＝n(t)eμeb，
其中n(t)是时变的光生自由电子的密度，e是电子电荷，μ是电子的迁移率，eb则是偏置电场的场强。
这一电流脉冲在远场的太赫兹辐射场强如下式所示：
其中a是光生载流子照射的面积，ε0是真空介电常数，c是真空光速，z是场点距太赫兹波发射源的距离。由上式可知，太赫兹辐射场强与载流子密度成正比，因此本发明的设计将会大大提升天线的工作效率。
本发明集成在光电导发射天线上的纳米介质超材料的设计为提高太赫兹系统的效率提供了新思路新方法，为太赫兹波的大规模推广应用奠定了基础。该器件的制造仅在原本的光电导天线制作工艺上加了反应离子刻蚀技术，加工过程灵活便捷，适合大规模推广应用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一种优选实施例，该结构的工作波长设计在800nm，其结构如图1所示，图(a)是部分结构的正视图，图(b)是部分结构的立体图，该设计由纳米结构层1和衬底层2两部分构成。
所设计纳米介质超材料结构的最小结构单元如图2所示，其中1是纳米结构层的最小结构单元--方柱结构，2是衬底层。方柱结构的排列周期、高度、上下底面的边长均会对整个系统的吸收率和工作波长造成影响，根据整个系统的工作波长，固定参数：工作波长为800纳米时，方柱的排列周期为350纳米，高度为150纳米，上下底面的四个边长均为164纳米。本例针对一种常用的基底材料为本征gaas、衬底层厚度为650微米的光电导天线，所设计的纳米结构材料也是本征gaas，布设在光电导天线衬底层正面的两根平行金属电极中间。
纳米介质超材料结构和光电导天线的具体组合方式如图3所示，其中1是纳米结构层，2是光电导天线的衬底层，3是光电导天线的金属电极，4是硅透镜。纳米结构层位于金属电极中间，此组合结构可用太赫兹4f时域光谱系统测量检验其工作性能。
图4是模拟纯基底与所设计纳米阵列对飞秒光吸收率的示意图。如图所示，该设计将样品对飞秒激光的吸收率从67.17％增加到了99.97％，且在620nm-990nm波长范围内吸收率均在95％以上，因此纳米结构的引入有效的增加了光电导发射天线对超快激光的吸收率。
图5是模拟纯基底与所设计的纳米介质结构得到的电场分布图。比较图(a)和图(b)得出，平面波入射时，纯基底结构存在较强的反射波；平面波入射到所设计的结构上满足阻抗匹配条件，大幅度地减弱了反射波，且能纳米阵列将飞秒激光局域在结构内；
在纳米结构间形成空气腔，大幅度地减弱了反射波；带有纳米结构的衬底表面的光场局部增强，这将在衬底材料gaas中产生更大的光电流，从而大幅度增强太赫兹辐射，大大提升天线的工作效率。