CN105824138B - 基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器 - Google Patents

基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹波应用技术领域，提供一种基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，用以同时获得大的调制速率和调制深度；该光控太赫兹波调制器，包括从下往上依次设置的衬底1、绝缘层2、金属掺杂Si半导体层3、石墨烯薄膜4以及泵浦激光束5；其特征在于，所述金属掺杂Si半导体层3与所述石墨烯薄膜4组成石墨烯/掺杂Si复合双层结构。本发明光控太赫兹波调制器具有高速、宽带、大幅度调制以及室温工作的特点，能够工作在0.2‑2.6THz，调制频率达到10MHz，最大调制深度达到50％以上；即能够用于太赫兹高速无线通信系统，也能够用在太赫兹成像、探测多个应用系统中作为高速宽带太赫兹波调控器件。

Description

基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器
技术领域
本发明属于太赫兹波应用技术领域，提供了一种太赫兹调制器件，具体为一种基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器。
背景技术
太赫兹波(THz)是指频率在0.1THz—10THz(波长为0.03-3mm)范围内的电磁波，其波段位于微波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置，是电子学向光学的过渡区域。太赫兹波在无线通信、无损探测、安全检查以及雷达成像等领域具有非常重要的应用。在太赫兹应用系统中，主动型调控器件(active devices)可以实现对太赫兹波束的调制、开关、衰减、转向等一系列功能，是构建太赫兹应用系统的核心部件。在主动型太赫兹调控器件中，光控硅基调制器受到较大的关注；利用激光激发半导体Si产生非平衡载流子，对太赫兹波产生一定的吸收，因此可以用激光来实现太赫兹波幅度的调控。光控硅基太赫兹调制器具有宽带特性，并且与现有半导体工艺相兼容，是实现太赫兹调制器件重要方式之一；重掺杂Si的太赫兹波传输损耗非常大，功率利用率低，因此光控Si基太赫兹调制器均采用高阻Si或者本征Si；然而受到高阻Si和本征Si载流子寿命(大约10μs)的限制，器件的调制速率只能达到kHz量级。
石墨烯是一种由碳的单原子层构成的二维纳米材料，具有独特的能带结构、优越的电学性能、光学性能、良好的机械性能及热稳定性；其载流子浓度为2×1011cm-2，迁移率超过200,000cm2/Vs。文献《Spectrally Wide-Band Terahertz Wave Modulator Based onOptically Tuned Graphene》(ACS NANO,6(10),9118-9124(2012),P.Weis,J.L.Garcia-Pomar,M.Hoh,et al..)中公开了一种基于石墨烯的光控太赫兹波调制器件，包括半导体衬底、衬底上的单层石墨烯薄膜；利用石墨烯薄膜独特的光学性质，大幅度提高太赫兹波调制器件的调制深度，但调制速率仅有kHz量级，无法满足高速调制需要。为适应光控太赫兹波调制器在太赫兹波通信、太赫兹波探测、太赫兹波成像领域的广泛应用，本发明提供一种基于石墨烯/掺杂Si复合双层结构的光控高速宽带太赫兹调制器及其制备方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供了一种基于“石墨烯/掺杂Si半导体”复合双层结构的光控太赫兹波调制器及其制备方法，用以同时获得大的调制速率和调制深度。该光控太赫兹波调制器的核心采用“石墨烯/掺杂Si半导体”复合双层结构，以200-1000nm波长的激光作为调制场，在未加载激光时，石墨烯和掺杂Si半导体对太赫兹波是高度透明的；而在激光作用下，半导体中产生大量的光生载流子，载流子扩散到“石墨烯/掺杂Si半导体”界面形成高电导层，同时对太赫兹波产生吸收和反射，强烈阻碍太赫兹波的透射，太赫兹波透射强度显著降低；从而通过调节激光强度实现对太赫兹波透射强度的调制。本发明提供太赫兹波调制器具有高速、宽带、大幅度调制以及室温工作的特点，能够工作在0.2～2.6THz，调制频率达到10MHz，最大调制深度达到50％以上；即能够用于太赫兹高速无线通信系统，也能够用在太赫兹成像、探测多个应用系统中作为高速宽带太赫兹波调控器件。
本发明所采用的技术方案是：
基于石墨烯/掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，包括从下往上依次设置的衬底1、绝缘层2、金属掺杂Si半导体层3、石墨烯薄膜4以及泵浦激光束5；其特征在于，所述金属掺杂Si半导体层3与所述石墨烯薄膜4组成石墨烯/掺杂Si复合双层结构。
进一步的，所述金属掺杂Si半导体层采用本征N型高阻Si或者本征硅，其电阻率大于1000Ω/cm，厚度在10～50μm，掺杂金属为Au或者Pt，掺杂方式采用点阵掺杂方式。
所述石墨烯薄膜的石墨烯层数为1～10层，包括大面积石墨烯薄膜和带状的石墨烯带，其载流子迁移率优于2000cm2/Vs。
所述绝缘层采用对太赫兹波具有高透性的材料，厚度大于200nm。
所述泵浦激光束5输出波长为200～1000nm的任意激光，激光强度需要达到100mW以上。
从工作原理上讲：
本发明提供基于“石墨烯/掺杂Si半导体”复合双层结构的光控高速宽带太赫兹波调制器，因为石墨烯薄膜、衬底、绝缘层以及本征型或者高阻Si半导体层材料中的载流子浓度很低，对太赫兹波的吸收非常小；在没有激光作用作用下，该复合结构对0.2-2.6THz的太赫兹波是高度透明的，当一定波长的激光作用时，入射的激光光子被Si半导体层所吸收而产生大量的光生载流子，相对于石墨烯中的载流子浓度要高几个数量级以上，在载流子浓度梯度的驱动下，Si半导体中的载流子(电子和空穴)进入石墨烯薄膜中，在两者界面上形成高电导层；由于石墨烯的电子/空穴迁移率μ高达20000cm2/V.S，因此该电导层的电导率非常的高(电导率σ＝n×e×μ，其中n为载流子密度，e为电子电荷，μ为载流子迁移率)，该电导层同时对太赫兹波产生强烈的吸收和反射，导致太赫兹波透射显著下降；从而通过调节激光强度实现对太赫兹波透射强度的调制。另外，当外加激光去掉后，“石墨烯-掺杂Si半导体”复合双层结构经过τ(半导体材料光生载流子的复合时间)的时间恢复高透射状态；在工作时，经过调制的激光作用于调制器上，当调制激光处于“开通(ON)”的状态，太赫兹波的透射率较低，当激光处于“关断(OFF)”的状态时，太赫兹波的透射较强，因此实现了太赫兹波的强度调制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.通过掺杂重金属引入载流子复合中心，降低了Si半导体的载流子寿命达到100ns，因此能够提高该调制器的开关速率达到10MHz以上。
2.采用点阵掺金的方式代替整面掺金，减小器件的插入损耗，提高太赫兹波源功率利用率。
3.“石墨烯/掺杂Si半导体”复合双层结构有效提高器件调制深度，同时Si半导体层下设置绝缘层，使得产生的光生载流子只能向石墨烯迁移，进一步提高了器件的调制幅度；本发明调制器在保持MHz开关速率的条件下，其调制深度能够达到50％以上；显著优于现有光控太赫兹调制器。
附图说明
图1为本发明光控高速宽带太赫兹调制器结构示意图，其中，1为衬底、2为绝缘层、3为金点阵掺杂半导体层、4为石墨烯薄膜、5为泵浦激光束。
图2为本发明光控高速宽带太赫兹调制器中Si半导体层重金属掺杂前后光学照片，其中，(a)为扩散后、(b)为扩散前。
图3为本发明实施例所采用的单层石墨烯薄膜的Raman光谱。
图4为本发明实施例所制备得光控高速宽带太赫兹波调制器在500kHz时的调制波波谱。
图5为本发明实施例所制备得光控高速宽带太赫兹波调制器在各频率下的调制波波谱。
图6为本发明实施例所制备得光控高速宽带太赫兹波调制器在载波频率为340GHz的太赫兹波段的有无石墨烯薄膜时的调制波形对比图。
图7为本发明实施例所制备得光控高速宽带太赫兹波调制器在有无石墨烯薄膜时相对调制深度对比图。
图8为本发明实施例所制备得光控高速宽带太赫兹波调制器在各激光功率下的透射谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本实施例中提供基于“石墨烯/掺杂Si半导体”复合双层结构的光控太赫兹波调制器，其结构如图1所示，包括从下往上依次设置的衬底1、绝缘层2、金点阵掺杂半导体层3、石墨烯薄膜4以及泵浦激光束5。本实施例中采用SOI基片，即衬底为厚度为400μm的蓝宝石衬底，绝缘层为厚度大于200nm的SiO2，Si半导体为本征N型高阻Si，其电阻率大于1000Ω/cm，厚度为50μm，掺杂金属为Au，掺杂类型为点阵掺杂，其金点分布如图2所示，需要说明的是，本发明中点阵掺杂中金属点并不局限于阵列排布，本实施例中采用阵列排布，阵列间距为23μm，圆点直径为3μm。
上述光控太赫兹波调制器的制备过程包括以下步骤：
步骤1.清洗SOI衬底：将衬底依次进行超声清洗、去离子水冲洗后烘干备用；
步骤2.光刻图形：在衬底Si表面上滴两滴5214反转胶，在3000转/秒的甩胶机上均匀甩胶，在100℃下烘60s，在光刻机下对准曝光3.5s，再在120℃下烘90s，泛曝45s，在正胶显影液下显影35s，检查曝光图形，120℃下烘5min即可，得到表面有光刻图形的样品；
步骤3.磁控溅射法镀金膜：将有光刻图形的衬底放入磁控溅射腔中，真空度降到1.3x10-3Pa，充Ar到1.8Pa，开启射频源，溅射功率80W，发射功率小于0.2W，起辉后调节Ar流量，使真空度降到0.8Pa，即可正常工作，溅射时间为3min，在带有光刻图形的Si表面均匀覆盖一层厚度为10nm左右的金膜；
步骤4.高温扩散：用丙酮剥离金，留下金圆点，酒精、去离子水洗净后烘干备用；将扩散炉温度升到900℃，通入Ar气做保护气体，放入样品后，扩散1h后取出，用碘液、HF洗去残留金颗粒，得到金掺杂Si半导体结构；
步骤5.转移石墨烯薄膜：在生长有石墨烯薄膜的金属基底上旋涂一层PMMA，然后将金属基底放入氯化铁或过硫酸铵溶液中将基底腐蚀干净，在将载有石墨烯薄膜的PMMA用去离子水清洗后转移至金扩散层上，最后用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即完成石墨烯薄膜的转移，在掺金Si表面覆盖一层石墨烯薄膜；
即制备得光控太赫兹波调制器。
如图3所示为实施例调制器结构中石墨烯薄膜进行的Rman光谱分析，分别在1581cm-1和2681cm-1附近出现的G峰和2D峰，2D/G＝1.7小于2，说明该石墨烯薄膜为单层石墨烯，并且缺陷较少。
对上述光控高速宽带太赫兹波调制器进行测试：
首先测试所制备的光控高速宽带太赫兹波调制器的调制速率和调制深度随着泵浦光功率的变化规律。如图1所示，当波长为915nm的泵浦光和太赫兹波束同时从正面入射到器件表面时，随着激光功率的变化可由检波器检测到载波强度的变化，从而间接算出调制深度，额定功率下，改变泵浦光频率可得到所制备的光控太赫兹波调制器的调制速率。采用透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，太赫兹波有飞秒激光泵浦光电导天线产生，垂直入射到样品便面，透射波由光电导天线接收。
如图4所示为实施例光控高速宽带太赫兹波调制器在500kHz时的调制波谱，结果显示上升时间150ns，下降时间130ns，计算得出理论预测调制速率为3.4MHz。
如图5所示为实施例光控高速宽带太赫兹波调制器在不同频率的泵浦光下的调制波形,由于所用调制激光所能响应频率的限制，实际上我们的调制速率能够达到10MHz左右。
如图6所示为实施例光控高速宽带太赫兹波调制器在载波频率为340GHz的太赫兹波段的调制波形，结果显示石墨烯薄膜使调制幅度增加了一倍。
如图7所示为实施例光控高速宽带太赫兹波调制器在有无石墨烯薄膜时相对调制深度对比图，结果显示石墨烯薄膜可使调制深度增加一倍。
如图8所示为实施例光控高速宽带太赫兹波调制器不同激光功率下的透射谱，在常温下器件在宽频范围内透射幅度有明显变化，随着泵浦光功率的变化透射率有明显变化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.基于石墨烯掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，包括从下往上依次设置的衬底(1)、金属掺杂硅半导体层(3)、石墨烯薄膜(4)以及泵浦激光束(5)；其特征在于，所述衬底(1)和金属掺杂硅半导体层(3)之间还设置有绝缘层(2)，所述绝缘层(2)采用对太赫兹波具有高透性的材料，厚度大于200nm；所述金属掺杂硅半导体层(3)与所述石墨烯薄膜(4)组成石墨烯掺杂硅复合双层结构；所述光控太赫兹调制器工作在0.2～2.6THz，调制频率达到10MHz，最大调制深度达到50％以上。
2.按权利要求1所述基于石墨烯掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，其特征在于，所述金属掺杂硅半导体层采用本征N型高阻硅或者本征硅，其电阻率大于1000Ω/cm，厚度为10～50μm，掺杂金属为Au或者Pt，掺杂方式采用点阵掺杂方式。
3.按权利要求1所述基于石墨烯掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜的石墨烯层数为1～10层，包括面状的石墨烯薄膜和带状的石墨烯带，其载流子迁移率优于2000cm2/Vs。
4.按权利要求1所述基于石墨烯掺杂硅复合双层结构的光控太赫兹调制器，其特征在于，所述泵浦激光束(5)输出波长为200～1000nm的任意激光，激光强度需要达到100mW以上。
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