等离激元光电导太赫兹发射器的设计、制备与实验表征

摘要

我们介绍了等离激元光电导发射器的设计、制备及实验表征方法，其太赫兹输出功率比传统光电导发射器高出两个数量级。

摘要

在本视频文章中，我们详细演示了一种高效产生太赫兹波的方法。该技术基于光电导效应，这是目前太赫兹波产生中最常用的手段之一^1-8。在光电导发射器中，通过使用脉冲激光或外差激光照射超快光电导材料来激发太赫兹波。所产生的光电流跟随泵浦激光的包络变化，并被引导至连接到光电导材料电极的太赫兹辐射天线，从而发射太赫兹辐射。尽管光电导发射器的量子效率在理论上可达100%，但由于传统光电导材料中光生载流子到达电极的输运路径较长，严重限制了其量子效率。此外，载流子屏蔽效应和热击穿也严格限制了传统光电导太赫兹源的最大输出功率。为克服传统光电导太赫兹发射器在量子效率方面的局限性，我们提出了一种新型光电导发射器结构，采用等离激元电极构型，可同时实现高量子效率与超快运行。通过使用纳米尺度的等离激元电极，我们显著缩短了光生载流子到达光电导电极的平均输运路径，相较于传统光电导材料大幅优化⁹。该方法还可在不显著增加天线电容负载的前提下扩大光电导活性区域，从而在高光泵浦功率下避免载流子屏蔽效应和热击穿，提升太赫兹辐射的最大输出功率。通过引入等离激元电极结构，我们实现了将传统光电导太赫兹发射器的光-太赫兹功率转换效率提高50倍¹⁰。

引言

我们提出一种新型光电导太赫兹发射器，该发射器采用等离激元接触电极结构，可将光到太赫兹的转换效率提高两个数量级。我们的技术解决了传统光电导太赫兹发射器最关键的局限性，即输出功率低和功率效率差的问题，这些问题源于传统光电导材料在高量子效率与超快运行之间的固有折衷关系。

在我们的设计中，实现这一跨越式性能提升的关键创新之一是设计一种接触电极结构，使大量光生载流子在靠近接触电极的区域聚集，从而可在亚皮秒时间尺度内完成收集。换句话说，通过空间调控光生载流子，缓解了光电导体超快响应与高量子效率之间的权衡问题。等离激元接触电极通过以下两个方面提供了这一独特能力：（1）使光场被局域在等离激元电极之间的纳米尺度器件有源区域（突破衍射极限）；（2）在金属接触层与光吸收半导体界面处实现极强的光场增强^{10, 11}。我们方案的另一个重要特性是，在不显著增加太赫兹辐射天线寄生负载的前提下，可容纳较大的光电导有源区域。采用较大的光电导有源区域有助于缓解载流子屏蔽效应和热击穿问题，而这正是传统光电导辐射源最大辐射功率的根本限制因素。本视频文章重点阐述我们所提出方案的独特特性，内容涵盖其基本物理机制、数值建模及实验验证。我们通过实验验证，与具有非等离激元接触电极的类似光电导辐射源相比，等离激元光电导辐射源可产生高出50倍的太赫兹功率。

方案

1. 等离激元光电导发射器的制备

1. 制备等离激元光栅。
   1. 将半导体晶圆依次浸入丙酮（2 分钟）、异丙醇（2 分钟）中清洗，然后用去离子水冲洗（10 秒）。
   2. 用氮气吹干样品，然后在115 °C的加热板上加热90秒，以去除残留的水分。
   3. 以 4,000 rpm 的转速将 MicroChem 950K PMMA A4 旋涂于样品上，持续 45 秒。随后在热板上于 180 °C 预烘 3 分钟。
   4. 将样品载入电子束光刻设备（JEOL JBX-6300-FS）中。以约 650 μC/cm 的基础剂量曝光等离激元光栅图案²，使用100 kV的加速电压。
   5. 将样品浸入甲基异丁基酮:异丙醇（MIBK:IPA）1:3 混合溶液中显影 90 秒。随后立即将样品转移至纯异丙醇溶液中处理 60 秒。
   6. 用去离子水冲洗样品10秒，然后用氮气吹干样品。
   7. 将样品载入等离子清洗仪（YES-CV200RFS）中。以30 W射频功率、30 °C条件、100 sccm氧气流速对样品进行去残处理₂ 流速持续10秒。
   8. 通过将样品浸入 HCl:H₂0 3:10 混合液处理 30 秒。立即将样品转移至去离子水 cascade rinse 中冲洗 4 分钟。
   9. 将样品转移至去离子水烧杯中，以在金属沉积前尽量减少其暴露于大气氧气的环境中。
   10. 将含有样品的烧杯连同去离子水一起放入金属蒸发仪（Denton SJ-20）中。对腔室放气后，取出样品，干燥并装入腔室内（为防止样品表面形成氧化物，上述步骤应连续进行，不得中断）。
   11. 将腔室抽真空至压力低于 2x10^-6 Torr。沉积 Ti/Au（50/450 Å）。
   12. 打开腔室排气并取出样品。
   13. 为剥离沉积的金属，将样品置于盛有丙酮的烧杯中的聚四氟乙烯支架上，盖上盖子，静置过夜。打开烧杯盖，将其放入超声波振荡器中，直至所有不需要的金属完全去除（通常约30秒）。
2. 沉积 SiO₂ 钝化
   1. 按照步骤 1.1.1 - 1.1.2 对样品进行清洗。
   2. 将样品载入等离子体增强化学气相沉积设备（GSI PECVD）中。沉积1500 Å的SiO₂ 在 200 °C。
3. 通过二氧化硅打开接触通孔₂.
   1. 按照步骤 1.1.1 - 1.1.2 对样品进行清洗。
   2. 以 4,000 rpm 转速旋涂 HMDS 30 秒。以 4,000 rpm 转速旋涂 Megaposit SPR 220-3.0 光刻胶 30 秒。在热板上 115 °C 预烘 90 秒。
   3. 将样品和掩模版装入投影光刻步进机（GCA AutoStep 200）中。对准样品并进行曝光。
   4. 在热板上于 115 °C 对曝光后的光刻胶进行后烘烤，持续 90 秒。
   5. 在 AZ 300 MIF 显影剂中显影 60 秒。
   6. 立即用去离子水对样品进行4分钟的流水冲洗。用氮气吹干样品。
   7. 将样品载入反应离子刻蚀仪（LAM 9400）中。刻蚀 SiO₂ 使用 500 W 的 TCP 射频功率、100 W 的偏置射频功率、15 sccm 的 SF6 和 50 sccm 的 C₄F₈50 sccm 氦气，50 sccm 氩气，持续 80 秒。
   8. 将样品置于丙酮中以去除大部分光刻胶（5 分钟），随后放入异丙醇中（2 分钟）。用去离子水冲洗（10 秒）。用氮气吹干。
   9. 使用等离子去胶机（YES-CV200RFS）去除残余光刻胶。以800 W射频功率、30 °C、100 sccm氧气流量条件去除光刻胶₂ 流速持续5分钟。
4. 制备天线和偏置线。
   1. 重复步骤 1.3.1 至 1.3.6，以制备天线和偏置线。
   2. 重复步骤 1.1.8 - 1.1.9 以去除表面氧化物。
   3. 将含有样品和去离子水的烧杯置于金属蒸发仪（Denton SJ-20）上。
   4. 泄压后迅速取出样品，干燥并装入腔室。
   5. 将腔室抽真空至压力低于 2x10⁻⁶ mbar。^-6 Torr。沉积 Ti/Au（10/4,000 Å）。
   6. 打开放气阀，取出样品。
   7. 重复步骤 1.1.13，以剥离已沉积的金属。
5. 包装样品。
   1. 将直径为12 mm的高半球形硅透镜边缘用胶粘剂固定在带有8 mm通孔的2英寸铝制垫圈上。
   2. 将带有金属导线的印刷电路板（PCB）粘接到铝垫圈上，以便于进行焊接。
   3. 使用薄层环氧树脂将制备的等离激元光电导太赫兹发射器原型固定在硅透镜上。
   4. 将器件的焊盘与粘在相同铝垫圈上的印刷电路板（PCB）进行引线键合。
   5. 将导线焊接到印刷电路板（PCB）的金属走线上。
   6. 使用导线将设备的接触焊盘与参数分析仪（Hewlett Packard 4155A）连接，导线需焊接在PCB板上对应的焊盘上，用于测试目的。

2. 等离激元光电导发射器的表征

1. 器件对准。
   1. 将承载等离激元光电导太赫兹发射器原型的铝制垫圈放置在旋转台上，并将钛宝石锁模激光器（MIRA 900D V10 XW OPT 110V）的光泵浦紧密聚焦到每个器件的有源区域。
   2. 调节旋转台，使光泵浦的电场方向与等离激元光栅垂直，以高效激发表面等离激元波。
   3. 使用参数分析仪同时向每个器件施加偏置电压，并测量各器件中产生的电流。通过最大化每个待测器件的光电流，确认光泵浦对准和偏振调节的最优状态。
2. 输出功率测量。
   1. 使用光学斩波器（Thorlabs MC2000）对入射到每个器件上的锁模泵浦激光的光泵浦进行调制。
   2. 使用热释电探测器（Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz）测量等离激元光电导太赫兹发射器原型的输出功率。
   3. 将热释电探测器的输出连接至锁相放大器（Stanford Research Systems SR830），并使用光学斩波器的参考频率，以在低噪声水平下恢复太赫兹功率数据。
3. 辐射光谱表征。
   1. 从钛宝石锁模激光器开始，使用分束器将锁模激光器的输出分为泵浦光束和探测光束。
   2. 使用电光调制器（Thorlabs EO-AM-NR-C2）对泵浦光路中的光束进行调制。将泵浦光束聚焦到待测光电导发射器的有源区域，以产生太赫兹辐射。
   3. 使用第一个聚乙烯球面透镜对产生的太赫兹光束进行准直。使用第二个聚乙烯球面透镜对准直后的太赫兹光束进行聚焦。
   4. 在太赫兹光束聚焦前，使用ITO镀膜玻璃滤光片将准直的太赫兹光束与探测光束合并。
   5. 在光学和太赫兹光束的共同焦点处，放置一块厚度为1 mm、<110>取向的ZnTe晶体，并将其安装在旋转台上。
   6. 在探测光路中插入可控光学延迟线，使用电动线性位移台（Thorlabs NRT100）调节光学脉冲与太赫兹脉冲在ZnTe晶体内部相互作用的时间延迟。
   7. 在探测光路中使用半波片，将探测光束的偏振方向旋转至相对于太赫兹偏振方向呈45°角。
   8. 在ZnTe晶体后使用四分之一波片，将光束偏振转换为圆偏振。
   9. 使用沃拉斯顿棱镜将圆偏振光束分成两束。使用两个连接至锁相放大器的平衡探测器分别测量每束光的光功率。
   10. 将电动延迟线和锁相放大器连接至计算机。编写Matlab脚本，迭代移动电动延迟线的位置，暂停并读取锁相放大器的信号幅值。
   11. 通过将总光学延迟长度除以光速，将位移台位置转换至时间域，随后进行离散傅里叶变换（使用Matlab），以获得频域数据。

结果

为了展示等离激元电极在太赫兹功率增强方面的潜力，我们制备了两种太赫兹发射器：一种是传统的（图1a），另一种是集成了等离激元接触电极以缩短载流子向电极输运时间的等离激元（图1b）光电导发射器。两种设计均采用超快光电导材料，阳极与阴极接触点之间具有20 μm的间隙，并连接至一个长度为60 μm的蝶形天线，其最大和最小宽度分别为100 μm和30 μm，均在同一块低温生长的砷化镓（LT-GaAs）衬底上制备而成。等离激元光电导发射器在蝶形天线的输入端口处集成了两个纳米尺度的等离激元接触光栅。优化等离激元接触电极结构的设计策略是在最小化等离激元电极间距以缩短光生载流子平均输运路径长度的同时，最大化泵浦光在光电吸收衬底中的透射率。我们使用多物理场有限元求解器（COMSOL）来估算所设计的等离激元接触电极结构下光电导器件对入射光学泵浦的响应。为此，光生载流子密度由光电吸收衬底中计算得到的光强分布推导得出，并结合经典漂移-扩散模型中的偏置电场数据，用于计算感应光电流⁹。在泵浦光波长下具有强等离激元特性的金属更受青睐，因为它们能够在金属界面处实现泵浦光的强局域，从...

讨论

在本视频文章中，我们介绍了一种新型的光电导太赫兹产生技术，该技术采用等离激元接触电极结构，使光到太赫兹的转换效率提高了两个数量级。本文所展示的等离激元光电导发射器显著增强了太赫兹辐射功率，这对于未来用于高灵敏度化学识别、医学成像、生物传感、天文学、大气探测、安全筛查以及材料表征的太赫兹成像、光谱学和波谱分析系统具有重要价值。

本视频文章的重点是展示等离激元电极在增强超快光电导体中感应光电流以及光电导太赫兹发射器辐射太赫兹功率方面的影响。因此，在本演示中，光电导发射器结构、太赫兹辐射天线和偏置馈电方式的选择是任意的，该增强原理同样可广泛应用于各类光电导太赫兹发射器，无论其是否采用叉指接触电极，也无论其为脉冲式或连续波式工作的大面积光电导太赫兹发射器，均可借此提升辐射功率。在此基础上，通过采用谐振腔^{3, 16}、增大器件有源区面积^17-22，以及使用具有更高辐射电阻和带宽的天线^{23, 24}，可进一步提升我们原型器件的输出功率。此外，文中所述的等离激元光电导体中的量子效率增强机制，也可用于提高光电导太赫兹探测器的响应度和检测...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
<强>试剂
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	MicroChem	950K PMMA A4
六甲基二硅氮烷（HMDS）	Shin-Etsu MicroSI	MicroPrime HP 引物
光刻胶	陶氏化学	Megaposit SPR 220-3.0
光刻胶显影液	AZ电子材料	AZ 300 MIF 显影液
甲基异丁基甲酮（MIBK）	Avantor Performance Materials	9322-03
<强>设备
钛宝石锁模激光器	相干的	MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–电检测器	光谱检测器	SPI-A-65 THz
电子束光刻设备	JEOL	JBX-6300-FS
等离子清洗机	Yield Engineering Systems	YES-CV200RFS
金属蒸发仪	Denton Vacuum	SJ-20
等离子体增强化学气相沉积设备	GSI	GSI PECVD 系统
投影光刻步进机	GCA	AutoStep 200
反应离子刻蚀机	LAM Research	9400
参数分析仪	惠普	4155A
光学斩波器	Thorlabs	MC2000
锁相放大器	斯坦福研究系统	SR830
电光调制器	Thorlabs	EO-AM-NR-C2
电动线性平台	Thorlabs	NRT100