[發(fā)明專(zhuān)利]基于多棱臺(tái)陣列的硅基全光控太赫茲波調(diào)制器及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010350491.8
• 申請(qǐng)日: 2020-04-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111522152A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文岐業(yè);申朝陽(yáng);楊青慧;陳智;王元圣;馮正;譚為;張懷武
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02F1/01
• 分類(lèi)號(hào): G02F1/01;G01M11/02
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡

本發(fā)明屬于太赫茲功能器件領(lǐng)域，具體提供了一種基于多棱臺(tái)陣列的硅基全光控太赫茲波調(diào)制器及制備方法和測(cè)試方法，包括硅襯底、多棱臺(tái)陣列、棱臺(tái)上表面的鈍化層。本發(fā)明中，多棱臺(tái)陣列能減少激光反射率，提高對(duì)激光的利用率；多棱臺(tái)陣列不會(huì)增加光生載流子的橫向擴(kuò)散距離，不會(huì)因此而影響太赫茲成像的對(duì)比度和分辨率；且能增加對(duì)太赫茲波的調(diào)控面積。鈍化層不但能增加硅基全光控太赫茲調(diào)制器內(nèi)部的載流子壽命，而且還能進(jìn)一步降低激光反射率，明顯地提升太赫茲波的調(diào)制效果，其調(diào)制深度可達(dá)91.2％。該全光控太赫茲調(diào)制器在低激光功率下?lián)碛懈哒{(diào)制深度，且成本低廉，制作簡(jiǎn)單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及太赫茲成像和通信相關(guān)領(lǐng)域中的太赫茲幅度調(diào)制器，具體為一種基于多棱臺(tái)陣列的硅基全光控太赫茲波調(diào)制器。

背景技術(shù)

太赫茲波是指頻率在0.1THz-10THz范圍內(nèi)的電磁波，波長(zhǎng)在3mm-30μm之間。太赫茲波由于具有低能量性、好的相干性、寬帶性等許多優(yōu)良的特性，在無(wú)線(xiàn)通信、安檢、無(wú)損探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用中，太赫茲調(diào)控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，在現(xiàn)有的太赫茲調(diào)制器件當(dāng)中，硅基太赫茲調(diào)制器由于其制造技術(shù)與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，便于制造、集成，是當(dāng)前太赫茲調(diào)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

2013年，首都師范大學(xué)的張巖教授利用激光泵浦作用本征硅材料，實(shí)現(xiàn)了全光控太赫茲波空間調(diào)制器。這種空間型調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波前幅度和相位信息的調(diào)制，因此可以用于對(duì)太赫茲波束的偏轉(zhuǎn)、聚焦、分束等多種功能。然而，光泵浦半導(dǎo)體硅構(gòu)成的硅基太赫茲空間調(diào)制器雖然具有寬帶特性，但是其調(diào)制深度較低，一般在50％以?xún)?nèi)。而且硅片對(duì)泵浦激光的反射率較大，對(duì)波長(zhǎng)在400-1000nm范圍內(nèi)的激光反射率高達(dá)40％-60％。較低的激光利用率不但降低了器件的調(diào)制深度，反射的激光也會(huì)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)干擾和噪聲。最近的研究表明，在硅片上覆蓋特定的薄膜材料，其構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以顯著提高太赫茲波的調(diào)制深度，這些材料包括石墨烯、MoS₂、CuPc、PVA等等。這些復(fù)合結(jié)構(gòu)提高太赫茲波調(diào)制深度的原因主要在于薄膜與硅片相作用形成PN結(jié)。在光注入條件下，這種硅片-薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)使得硅片中產(chǎn)生的電子和空穴經(jīng)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程分別在硅片-薄膜界面處積累，通過(guò)降低載流子的復(fù)合過(guò)程來(lái)提高載流子壽命，從而大大提高器件內(nèi)的有效載流子濃度。但是，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)并不能有效解決硅基光控太赫茲調(diào)制器中泵浦激光利用效率低的問(wèn)題。同時(shí)，這些復(fù)合結(jié)構(gòu)在提高載流子壽命的同時(shí)，也增加了光生載流子的橫向擴(kuò)散距離，應(yīng)用于太赫茲波成像時(shí)會(huì)影響成像的對(duì)比度和分辨率。此外，額外異質(zhì)材料的引入，也增加了薄膜制備的難度，并導(dǎo)致與現(xiàn)有硅基CMOS工藝的不兼容。

目前，以太赫茲波成像技術(shù)為代表的太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)急需具有低的激光反射率，大的太赫茲波調(diào)制深度，良好的太赫茲成像對(duì)比度和分辨率、且與現(xiàn)有CMOS工藝兼容的全光控太赫茲調(diào)制器件，但目前尚未見(jiàn)這類(lèi)器件的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于多棱臺(tái)陣列的硅基全光控太赫茲波調(diào)制器，獲得了大的太赫茲波調(diào)制深度，優(yōu)良的太赫茲成像對(duì)比度和分辨率，同時(shí)有效解決了降低泵浦激光反射的問(wèn)題，且與CMOS工藝兼容，制造方法簡(jiǎn)單，成本低廉。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于多棱臺(tái)陣列的硅基全光控太赫茲波調(diào)制器，包括襯底硅、硅表面分布著多棱臺(tái)陣列，棱臺(tái)上表面為鈍化層。

作為優(yōu)選方式，鈍化層為熱氧化二氧化硅薄膜鈍化層。

作為優(yōu)選方式，所述襯底采用高阻硅或者本征硅，電阻率1000Ω*cm，厚度100-500um。

作為優(yōu)選方式，多棱臺(tái)陣列包括周期性排列的若干棱臺(tái)，棱臺(tái)具有N條棱，N≥4，每個(gè)棱臺(tái)的上表面在底部的投影位于底部的中心。

作為優(yōu)選方式，所述多棱臺(tái)陣列的底面邊長(zhǎng)和棱長(zhǎng)大小為微米量級(jí)，多棱臺(tái)陣列由硅片通過(guò)化學(xué)方法刻蝕形成。