CN104466427A - 一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器。该吸波器由一层高掺杂硅材料作为衬底，顶层为高掺杂硅条带，中间包裹一层二氧化硅而构成的三层结构。该吸波器基于硅材料通过高掺杂在太赫兹波段实现表面等离子体材料，通过有限元方法模拟计算，设计合理的谐振结构，通过观察该结构对入射太赫兹信号的反射谱，从而实现对太赫兹波的高效宽带吸收。具有结构简单、便于加工、吸收效率高、带宽相对较宽等优点，可广泛满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

Description

一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器
技术领域
本发明涉及一种基于高掺杂硅作为表面等离子体材料的高效宽带太赫兹吸波器，属于高掺杂硅在太赫兹波段应用领域。 
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外光之间，波长通常从30um到3mm,由于其在各个领域，包括时域光谱、无损传感、生物成像、通讯等方面有着广泛的潜在应用，近年来一直受到人们的关注和研究。然而随着太赫兹技术应用的快速发展,在一些特殊情况下还需要避免受到太赫兹辐射的影响。尽管大多数介质对太赫兹辐射都或多或少有些损耗,但是它们都不能在很短的距离内完全吸收太赫兹波。因此对于能够实现高效宽带的太赫兹吸波器的需求与日俱增,因为这不仅有着重要的学术应用，也有着深刻的军事意义。 
到目前为止大多数报道的太赫兹吸波器基本都是基于由两层金属与介质隔离层组成的超材料结构吸波器。尽管这些超材料结构吸波器能够实现高效吸收,但是由于超材料结构单元之间的谐振特性以及金属对太赫兹波有相对较小的损耗，它们中的大多数都带宽相对较窄。目前在光波段实现吸波更流行的办法是采用金属表面等离子体纳米结构，使用这种结构来提高对光的吸收效率和提高薄膜光伏设备的性能方面已经有所研究。但在太赫兹波段，由于作为常用表面等离子体材料的金属的介电常数实部绝对值非常大从而 不能直接支持表面等离子体，这就限制了表面等离子体在太赫兹吸波方面的应用。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易于加工、吸收高效稳定、带宽大、能广泛应该到实际中的太赫兹波段吸波器。 
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述太赫兹吸波器为一层高掺杂硅材料衬底层、一层二氧化硅中间层和一层条带顶层由下往上依次叠置而成的三层结构，该结构是一维或二维周期性结构，周期为180～240um。 
本技术方案中，可以商用的重掺杂绝缘体硅片(Silicon on insulator)为基础，通过标准CMOS工艺来制作，包括光刻、反应离子刻蚀及金属镀膜技术。本技术方案中的硅材料为n型硅，电子浓度在1018cm-3数量级，其在电子和空穴移动速度方面优于p型硅而且电子浓度很容易实现。 
在上述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器中，所述高掺杂硅衬底层为高掺杂硅材料制成，厚度为400～600um。厚度优选厚度为500um。 
在上述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器中，所述二氧化硅中间层为二氧化硅材料，厚度为15～20um。厚度优选值为18um，该二氧化硅材料中的硅为n型硅，电子浓度在1018cm-3数量级，其在电子和空穴移动速度方面优于p型硅而且电子浓度很容易实现。 
在上述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器中，所述条带顶层为高掺杂硅材料制成，厚度为8～12um。条带顶层的厚度优选值为10um，其作用是与下方的衬底层形成谐振结构，支持金属-介质-金属型(metal-insulator-metal)表面等离子体模式，条带顶层的宽度可根据所需工作频率调节，具有很强的可调性，适用于宽带吸收。 
在上述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器中，所述条带顶层为铜材料制成，厚度为0.5um～2um。铜材料在对太赫兹吸波器应用中，对于厚度变化不敏感，其作用是与下方的衬底层形成谐振结构，支持表面等离子体模式。条带宽度可根据所需工作频率调节，具有很强的可调性，适用于宽带吸收。 
与现有技术相比，本发明具有如下优点： 
(1)谐振结构实现对太赫兹信号的高效吸收，吸收效率接近100％，吸收峰半高宽可达0.3THz； 
(2)吸波器装置采用一维或二维周期性结构，结构简单紧凑，便于大规模集成，发展多元吸波器件，其中一维结构的效果更好； 
(3)在同一周期性单元中使用不同宽度高掺杂硅条带或金属条带顶层组合可实现宽频带吸收，覆盖更宽频带； 
(4)高掺杂硅条带顶层可使用金属铜替代，同样实现高效宽带吸收，使得加工方式多样化。 
附图说明
图1是本发明一种基于高掺杂硅材料的高效、宽带太赫兹吸波器结构单元示意简图。 
图2是本发明结构周期在200um时不同宽度高掺杂硅条带顶层 的太赫兹波反射谱。 
图3是本发明结构高掺杂硅条带顶层宽带为80um时不同结构周期下的太赫兹波反射谱。 
图4是本发明用金属铜替代顶层高掺杂硅条带时的太赫兹波反射谱。 
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例。结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。 
参照图1，本实施例为周期为P的高掺杂硅衬底层1上叠加一层厚度为t的二氧化硅中间层2，上层再叠加一层宽带为W、厚度为h的条带顶层3从而构成的三层结构。太赫兹光束垂直入射到结构上面，由于衬底对太赫兹辐射是不透明的，可以看到结构的吸收率能够直接从反射谱中得到，这样一种高掺杂硅-二氧化硅-高掺杂硅三层结构类似于光波段的金属-介质-金属型结构，此时顶层的高掺杂硅条带就类似于间隙等离子体谐振器，从而支持间隙表面等离子模式。其中，高掺杂硅衬底层1为高掺杂硅材料制成，其厚度为400～600um，优选值为500um；二氧化硅中间层2为二氧化硅材料，其厚度为15～20um，优选值为18um；高掺杂硅条带顶层3为高掺杂硅材料制成，厚度为8～12um，优选值为10um。上述结构是一维或二维周期性结构，周期为180～240um，可以以商用的重掺杂绝缘体硅片为基础，通过标准CMOS工艺来制作，包括光刻及反应离子刻蚀技术。本发明中所述的硅材料为n型硅，电子浓度在1018cm-3数量级，其在电子和空穴移动速度优于p型硅而且电子浓度很容易通过掺杂实现。 
图2是本实施例选用优选值，即高掺杂硅衬底层1厚度为500um，二氧化硅中间层2厚度为18um，高掺杂硅条带顶层3厚度 为10um时，通过有限元方法模拟计算得到的结构周期在200um时不同宽度高掺杂硅条带顶层的太赫兹波反射谱，从图中可以明显的看到在低频和高频分别各有一个谐振峰。对于低频处谐振峰，其反射率接近于0，表明这种基于高掺杂硅材料作为表面等离子体材料的结构能够高效的实现对太赫兹波的吸收，谐振峰的半高宽均在0.3THz左右，表明吸波器结构的有着较高的带宽。而且此谐振相当依赖于条带的宽度，条带越宽谐振频率越低，表明谐振峰可以很容易地通过条带宽度进行调整，从而可以实现更高宽频的吸波器。对于高频处谐振峰，从谐振属性和模式分布可以得出在高掺杂硅-二氧化硅-空气界面由于周期性条带作为激励光栅从而形成了表面等离子体，这个现象类似于光波段中著名的Wood反常现象。当固定周期性条带的宽带W为80um，改变结构的周期时，从图3中可以看出低谐振频率由于由于一阶法布里-珀罗谐振是相同的保持不变，而高谐振频率随着周期的增加出现红移，进一步证实引起高频谐振的原因。 
除了上述的高效宽带外，本发明结构也可以很容易的利用目前已有的加工技术得以实现。在高掺杂的绝缘体硅片(SOI)上只需要一步光刻和一次硅干法刻蚀就可以实现该结构。或者，也可以只利用一层高掺杂硅片，将顶层的高掺杂硅条带用金属代替，这个方法只需要光刻和金属沉积。例如，从图4中可以看到，当周期P为200um,条带宽度W为70um，用金属铜替代顶层高掺杂硅，同样高效吸收率和宽带的太赫兹吸波器也可以实现。 
本发明充分考虑到了器件原理、实际加工的可操作性、结构难易等要求提出了一种基于高掺杂硅作为表面等离子体材料的太赫兹波段吸波结构。其基本原理是：通过控制高掺杂浓度硅材料的掺杂浓度使得其等离子体频率略高于太赫兹波段,从而该材料 相对介电常数实部在太赫兹波段为负数，能实现太赫兹波段的表面等离子体模式，同时其虚部比实部更大，正好可以在吸波方面得到很好应用。作为半导体行业最常用的硅材料，其加工技术得益于漫长的研究历史以及在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的发展，故本结构在太赫兹实际应用中有着重大前景。 
本文中所描述的具体实施例仅仅是对发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (5)

1.一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于：所述太赫兹吸波器为一层高掺杂硅材料衬底层(1)、一层二氧化硅中间层(2)和一层条带顶层(3)由下往上依次叠置而成的三层结构，该结构是一维或二维周期性结构，周期为180～240um。
2.根据权利要求1所述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述高掺杂硅衬底层(1)为高掺杂硅材料制成，厚度为400～600um。
3.根据权利要求2所述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述二氧化硅中间层(2)为二氧化硅材料，厚度为15～20um。
4.根据权利要求3所述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述条带顶层(3)为高掺杂硅材料制成，厚度为8～12um。
5.根据权利要求3所述的基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述条带顶层(3)为铜材料制成，厚度为0.5um～2um。
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