探测芯片与太赫兹波导的集成组件的制作方法

本发明属于太赫兹技术领域，具体地讲，涉及一种探测芯片与太赫兹波导的集成组件。

背景技术：

太赫兹波通常指的是波长在30μm-3mm(0.1THz-10THz)区间的电磁波，位于微波和红外光之间，是二十一世纪最具发展前景的科学领域之一。太赫兹波的众多特性使其在各个技术领域都有广泛的应用前景，例如环境检测、空间成像、安全检测、超快计算等。要实现以上的众多应用离不开太赫兹波探测器的发展。场效应太赫兹波探测器是一种新兴发展起来的探测器，可在室温工作，而且结构简便、易于加工制备与集成。目前微纳加工工艺技术的发展已经可以实现微米量级的太赫兹探测器的制备，但是太赫兹波的入射光斑远远大于探测器的尺寸，这就使得很大一部分的入射波得不到利用，损耗严重，很大地限制了太赫兹的发展应用。在入射波光斑尺寸和探测器尺寸两者之间寻求一种途径使其匹配是一个值得研究的问题。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够实现太赫兹探测器对太赫兹波的高灵敏度的直接探测以及外差探测的探测芯片与太赫兹波导的集成组件。

本发明提供了一种探测芯片与太赫兹波导的集成组件，包括太赫兹波导和至少一个探测芯片，其中，所述至少一个探测芯片集成在所述太赫兹波导上。

进一步地，所述太赫兹波导包括具有空心结构的波导收集部以及具有空心结构的波导传输部，所述波导收集部用于汇集太赫兹波。

进一步地，所述波导收集部的空心结构的开口面积大于所述波导传输部的空心结构的开口面积。

进一步地，所述波导收集部的空心结构呈喇叭形或圆柱形或棱柱形；和/或所述波导传输部的空心结构呈圆柱形或棱柱形。

进一步地，所述探测芯片集成在所述波导传输部的输出端口处。

进一步地，所述太赫兹波导还包括形成在所述波导传输部远离所述波导收集部的一端的波导延展补偿部，所述探测芯片集成在所述波导传输部的空心结构内且邻近于波导延展补偿部、或所述探测芯片集成在所述波导延展补偿部且邻近于波导传输部。

进一步地，所述波导延展补偿部靠近所述波导传输部的一端为空心结构且远离所述波导传输部的一端为实心结构。

进一步地，所述探测芯片与太赫兹波的传输方向垂直，所述探测芯片包括至少一个太赫兹探测器以及集成在所述太赫兹探测器上的至少一个太赫兹天线；其中，所述太赫兹探测器的灵敏偏振方向与所述太赫兹波导传输部中的太赫兹波方向相同。

进一步地，所述探测芯片与太赫兹波的传输方向平行，所述探测芯片包括至少一个太赫兹探针以及集成在所述太赫兹探针上的至少一个太赫兹天线。

进一步地，所述太赫兹波导为实心结构，所述探测芯片内嵌或浸没在所述太赫兹波导中，或所述探测芯片直接集成在所述太赫兹波导的输出端面处。

本发明的有益效果：本发明通过将太赫兹探测芯片与太赫兹波导集成为一集成组件，利用具有喇叭状空心结构的波导收集部将入射太赫兹波毫米级大小的光斑汇聚到百微米量级，使得大部分的入射太赫兹波能够进入到波导传输部的内部进行传输，增强了入射太赫兹波的有效利用率，从而实现太赫兹探测芯片对太赫兹波的高灵敏度的直接探测以及外差探测。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片与太赫兹波导的集成组件的主视图；

图2(a)是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片位于波导传输部的输出端口处时，探测芯片与太赫兹波导的集成组件的侧视图；

图2(b)是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片位于波导传输部内时，探测芯片与太赫兹波导的集成组件的侧视图；

图3是本发明实施例的集成有太赫兹探针的探测芯片与太赫兹波导的集成组件的俯视图；

其中：1-太赫兹波导，2-探测芯片，3-波导延展补偿部。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

在附图中，为了使组件清晰展示，夸大了层和区域的厚度。此外，相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

图1是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片与太赫兹波导的集成组件的主视图。

参照图1，根据本发明实施例的探测芯片与太赫兹波导的集成组件包括太赫兹波导1和探测芯片2。探测芯片2具体为场效应太赫兹混频探测芯片。为了增大探测收集后的入射功率，探测芯片2集成在所述太赫兹波导1上。

太赫兹波导1可以为棱柱形或圆柱形的空心或实心结构。当太赫兹波导1为实心结构时，探测芯片2内嵌或浸没在所述太赫兹波导1中。但本发明并不限制于此，例如，作为本发明的另一实施例，探测芯片2也可以直接集成在所述太赫兹波导1的输出端面处。

图2(a)是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片位于波导传输部的输出端口处时，探测芯片与太赫兹波导的集成组件的侧视图。图2(b)是本发明实施例的集成有太赫兹探测器的探测芯片位于波导传输部内时，探测芯片与太赫兹波导的集成组件的侧视图。图3是本发明实施例的集成有太赫兹探针的探测芯片与太赫兹波导的集成组件的俯视图。

如图2(a)、图2(b)和图3所示，在本实施例中，所述太赫兹波导1为空心结构。具体地，太赫兹波导1包括具有空心结构的波导收集部11和具有空心结构的波导传输部12。太赫兹波由波导收集部11的空心结构处入射，在波导收集部11的内部经过收集作用汇集到波导传输部12，在波导传输部12的传输之后出射。为了对在太赫兹波导1中传输的太赫兹波起到良好的汇聚作用，波导收集部11的空心结构的开口面积大于波导传输部12的空心结构的开口面积。波导收集部11的空心结构可以为喇叭形或圆柱形或棱柱形；和/或所述波导传输部12的空心结构呈圆柱形或棱柱形。优选地，在本实施例中，所述波导收集部11的空心结构呈喇叭形状。更进一步地，太赫兹波导1也可以不包括用于汇集太赫兹波的波导收集部11，只包括具有棱柱形或圆柱形的空心结构的波导传输部12。太赫兹波导1的波导传输部12也可以与一个或多个其它波导端口配备，以用于向所述太赫兹探测芯片2馈入太赫兹信号，实现外差混频探测。

需要注意的是，在本实施例中，所述波导传输部12的空心结构为小尺寸，优选为毫米、微米量级。

探测芯片2上集成有至少一个太赫兹探测器或太赫兹探针、以及集成在所述太赫兹探测器或太赫兹探针上的至少一个能够耦合太赫兹波的太赫兹天线。如图1所示，在本实施例中，探测芯片2上集成有3个太赫兹天线。当然本发明并不限制于此，探测芯片2上也可以集成有2个、4个、5个太赫兹天线等。同样地，一个探测芯片2上的太赫兹探测器或太赫兹探针的数量可以为一个、两个、三个、四个等。太赫兹天线用于感应特定偏振方向的太赫兹波电场。太赫兹探测器或太赫兹探针可例如为形成在蓝宝石衬底上的GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管。但本发明并不限制于此，所述太赫兹探测器或太赫兹探针也可以为其它结构或类型的探测器或探针。需要说明的是，太赫兹探测器或太赫兹探针的结构是相同的，也就是说场效应晶体管可作为场效应太赫兹混频探测器(探测空间中的THz波)使用，也可作为场效应太赫兹混频探针(探测物体表面的近场THz电场)使用。具体而言，当探测芯片2(场效应晶体管)所在平面与太赫兹波导口平行时(如图2(a)和图2(b)所示)，或者说探测芯片2(场效应晶体管)垂直于太赫兹波的传输方向时，此时该场效应晶体管用作太赫兹混频探测器。当探测芯片2(场效应晶体管)所在平面与太赫兹波导口垂直时(如图3所示)，或者说探测芯片2(场效应晶体管)平行于太赫兹波的传输方向时，此时场效应晶体管用作太赫兹混频探针。在本实施例中，太赫兹探测器或太赫兹探针用于输出直流的自混频信号或交流的外差混频信号。

至少一个探测芯片2集成在波导传输部12的输出端口处。如图2(a)所示，在本实施例中，一个探测芯片2集成在波导传输部12的输出端口处。但本发明并不限制于此，波导传输部12也可以集成有两个、三个、四个探测芯片2。当探测芯片2集成在波导传输部12的输出端口处时，且探测芯片2垂直于太赫兹波的传输方向，探测芯片2上的场效应晶体管相当于太赫兹探测器，探测器的灵敏偏振方向与波导传输部12的输出端口的太赫兹波方向相同。当然本发明并不限制于此，作为本发明的另一个实施例，例如，如图2(b)所示，至少一个探测芯片2集成在波导传输部12的内部。

作为本发明的另一实施例，至少一个探测芯片2也可以集成在太赫兹波导1的空心结构内。为了能够将探测芯片2集成在太赫兹波导1的空心结构内，太赫兹波导1还包括形成在波导传输部12远离所述波导收集部11的一端的波导延展补偿部3。波导延展补偿部3与波导传输部12相匹配，波导延展补偿部3靠近所述波导传输部12的一端具有与波导传输部12的空心结构等体积大小的空心结构，而远离所述波导传输部12的一端为实心结构。所述探测芯片2集成在所述波导传输部12的空心结构内且邻近于所述波导延展补偿部3。但本发明并不限制于此，所述探测芯片也可以集成在波导延展补偿部13空心结构内且邻近于波导收集部11。需要说明的是，在本实施例的集成过程中，先将探测芯片2放置于波导传输部12的空心结构上且临近于所述输出端处，再形成所述波导延展补偿部3，以解决不能直接把探测芯片2放置于太赫兹波导1内部的问题。同样地，在这里，太赫兹波导1也可以集成有两个、三个、四个探测芯片2。当探测芯片2集成在太赫兹波导1的内部时，探测器的灵敏偏振方向与太赫兹波导1内的太赫兹波方向相同。

作为本发明的又一实施例，当场效应晶体管用作太赫兹混频探针时，如图3所示，太赫兹波导1也包括波导收集部11、波导传输部12以及波导延展补偿部3，探测芯片2集成在波导传输部12的空心结构内且邻近于波导延展补偿部3。进一步地，探测芯片2平行于太赫兹波导1的上表面，太赫兹混频探针(场效应晶体管)集成在探测芯片2朝向太赫兹波导1的上表面的一侧。但本发明并不限制于此，这仅是本发明的一个实施例，例如，探测芯片2也可以集成在波导延展补偿部3且邻近于波导传输部12处，或者太赫兹波导1不包括波导延展补偿部3，探测芯片2集成在波导传输部12的输出端口处。

具体地，当波导传输部12为棱柱形时，太赫兹波在太赫兹波导1内主要以TE10模式传播(高阶模式的电场因衰减较强故不考虑)。太赫兹探测芯片2位于波导传输部12的输出端口处或波导传输部12内电场强度最强处。由于波导收集部11的汇聚作用，在探测芯片2所处位置太赫兹波的电场强度要成倍高于入射波的电场强度。探测芯片2上一个(或多个)太赫兹探测器(或探针)对太赫兹波进行感应，太赫兹探测器(或探针)的偏振方向与波导传输部12的端口处或波导传输部12内的太赫兹波的偏振方向相同。经过波导收集部11的汇聚，入射的太赫兹波的光斑尺寸可有效地缩小一个量级，提高了入射太赫兹波的电场密度的同时，也提高了太赫兹探测器(或探针)的响应度。另外可对波导传输部12配备另一波导端口，对探测芯片2馈入本地太赫兹信号，实现太赫兹探测器的高灵敏外差探测。一般地，入射的太赫兹波为毫米级大小，经过波导收集部11的汇聚作用的太赫兹波为百微米量级。

综上所述，本发明的实施例通过将太赫兹探测芯片与太赫兹波导集成为一集成组件，利用具有喇叭状空心结构的波导收集部将入射太赫兹波毫米级大小的光斑汇聚到百微米量级，使得大部分的入射太赫兹波能够进入到波导传输部的内部进行传输，增强了入射太赫兹波的有效利用率，从而实现太赫兹探测芯片对太赫兹波的高灵敏度的直接探测以及外差探测。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。