CN106200016A - 一种太赫兹石墨烯微结构调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以石墨烯互补型微结构作为有源区的太赫兹调制器，包括衬底；在衬底上生长的掺杂半导体层；依次叠加的绝缘层和有源区层；其中最底部绝缘层在掺杂半导体层上生长，顶部为有源区层；所述有源区层为具有为互补微结构的石墨烯层；生长在最顶部有源区的电极。本发明还提供了所述太赫兹调制器的制作方法。本发明能够通过外加偏压改变石墨烯费米能级，从而实现对入射THz波实现深度调制。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹石墨烯微结构调制器，尤其涉及一种利用石墨烯互补型微结构实现对太赫兹波进行有效调制的设计。
背景技术
太赫兹(terahertz，THz，1THz＝1012Hz＝4.1meV)波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，频率范围从0.3THz-10THz，处于电子学向光子学的过渡区域，在国民经济以及国家安全等方面有重大的应用价值。太赫兹波光子的能量与物质材料分子的低频振动和转动的能量相匹配，其在传播、反射和吸收等方面与微波和红外光有显著的不同，在短程无线通讯、物体成像、生物检测和天文观测方面具有重大的应用前景。但是由于缺乏有效的太赫兹辐射源、探测器和操控方法，THz波的研究应用发展还受到很大的限制。作为波导器件中的关键元器件，调制器对于实现THz波的有效操控，促进THz技术在成像、生物样品分析和短程无线通信等领域的发展具有重要的价值意义。
在太赫兹波段，由于波长较长，载流子的吸收非常严重(自由载流子的吸收与波长平方成正比)，对波长的操控束缚也会变得很困难，传统的微波和介质波导技术都很难得到应用。目前太赫兹波段的调制方法主要有以下几种：
(1)量子阱调制器：采用周期性交替生长的半导体量子阱(例如GaAs/AlGaAs)结构，然后通过施加偏置电压控制量子阱中的载流子浓度，从而实现对入射THz波的调制；
(2)光子晶体调制器：在交替生长的周期性结构中进入半导体缺陷层(如GaAs)，然后通过改变半导体中的载流子浓度，实现对THz波幅度的调节，具有结构简单、调制效果好等优点；
(3)液晶调制器：通过电场或者磁场来调节控制液晶分子的介电性能来实现对于入射波的调制，幅值调制深度较大，可以达到75％左右，频率调制深度约为6.5％。
不过以上调制方法都有不足之处，例如量子阱调制器需要在低温下工作，使用范围受到很大限制；光子晶体调制器的性能主要依赖于半导体层所产生的光生载流子浓度，不利于调制深度和速度的提高；而液晶调制器尺寸较厚、调制速度较慢且频率调节范围较小(液晶材料在THz波段的双折射率较低)。
高性能的太赫兹调制器在很大程度上取决于能否找到对THz波产生强烈的电磁响应的合适材料，周期性超材料的出现(超结构，Metamaterials，MMs)可以在很大程度上解决这个难题，其性质和功能主要来自单元的几何结构而非构成材料。超材料结构调制器具有设计灵活、性能良好等优点，是太赫兹波调制器研究领域的热点。
超材料常见的构成材质主要有金属(如Ag、Au)和半导体(如InSb、VO2)，但是这些材料的电控可调谐性不是太好、损耗较大。
发明内容
针对目前太赫兹波调制器存在的问题，本发明提供了一种太赫兹石墨烯微结构调制器、以及所述太赫兹石墨烯微结构调制器的制作方法。
本发明第一个方面是提供一种太赫兹石墨烯微结构调制器，包括
——衬底；
——在衬底上生长的掺杂半导体层；
——依次叠加的绝缘层和有源区层；其中最底部绝缘层在掺杂半导体层上生长，顶部为有源区层；所述有源区层为具有为互补微结构的石墨烯层；
——生长在最顶部有源区的电极。
本发明第二个方面是提供一种制作所述太赫兹石墨烯微结构调制器的方法，包括：
——提供衬底；
——在所述衬底上生长掺杂半导体外延层；
——在掺杂半导体外延层上生长绝缘层，绝缘层上生长石墨烯层，然后对石墨烯层进行光刻，形成具有互补微结构的石墨烯有源区层；然后依次重复生长绝缘层和石墨烯互补微结构有源区层，形成叠加的绝缘层和石墨烯互补微结构有源区层；其中最底部绝缘层在掺杂半导体层上生长，顶部为有源区层；
——在顶层石墨烯互补微结构有源区层上蒸镀金属，对金属进行刻蚀形成电极。
在本发明上述内容中，每一个有源区层为一个单层石墨烯层或叠加的多个单层石墨烯层。
其中，所述每一个有源区层中单层石墨烯的层数可以相同或不同，并可以分别独立地为1个、2个或更多个，如3-5个。
或者，叠加的绝缘层和有源区层中，有源区层和绝缘层分别为3-5层。
其中，每一个单层石墨烯层的厚度优选为在0.1-0.5nm之间，更优选为0.2-0.4mm，如0.22mm、0.25mm、0.28mm、0.3mm、0.34mm、0.38mm等。
在本发明上述内容中，所述每一个有源区层中的互补微结构可以相同或不同，并可以分别独立地优选为矩形结构、十字形结构、工字型结构、开口谐振环结构、以及其他任意已知的互补微结构中的任意一种或几种。
本发明上述内容中，所述每一个有源区层中的互补微结构阵列排布。
在本发明的一种优选实施例中，所述衬底优选为柔性高分子材料衬底。其中，所述柔性高分子材料可以是聚酰亚胺，并且可以是缩聚型聚酰亚胺、加聚型聚酰亚胺中的任意一种或几种，并优选为脂肪族、半芳香族和芳香族聚酰亚胺中的任意一种或几种。
其中，所述衬底厚度优选为在0.5-100μm之间，更优选为1-50μm之间，更优选为2-10μm之间。
在本发明的一种优选实施例中，所述绝缘层材料选自SiO2、Al2O3中的任意一种或几种。
其中，所述绝缘层厚度优选为在1-500nm之间，更优选为10-300μm之间，更优选为30-100μm之间。
在本发明的一种优选实施例中，所述掺杂半导体层材料优选为硅材料。
其中，所述掺杂半导体层的掺杂浓度优选为在1010-1020cm-3之间，更优选为1014-1018cm-3之间，更优选为1015-1016cm-3之间。
其中，所述掺杂半导体层厚度优选为在0.5-20μm之间，更优选为1-10μm之间，更优选为2-8μm之间。
在本发明的一种优选实施例中，所述电极为金属电极，可以是优选为铜、金、铬、银、铝中的任意一种或几种的合金、或组合。
在本发明的一种优选实施例中，在掺杂半导体层和有源区层之间施加外电压调节石墨烯的费米能级。
在本发明的一种优选实施例中，所述石墨烯的费米能级≥0.5eV，更优选为≥1eV。
在本发明的一种优选实施例中，所述衬底喷涂在硅片上，在形成电机后，将硅片剥离。
本发明提供了一种以石墨烯互补型微结构作为有源区的太赫兹调制器、及其制作方法，通过外加偏压改变石墨烯费米能级从而实现对入射THz波实现深度调制。
附图说明
图1为本发明太赫兹波石墨烯互补型微结构调制器的制作工艺流程示意图；
图2为本发明太赫兹波石墨烯互补型微结构调制器的器件结构示意图的俯视图，即几种常见的石墨烯微结构有源区结构；
图3为本发明太赫兹波石墨烯互补型微结构调制器的原理示意图；
图4为本发明太赫兹波石墨烯互补型微结构调制器的器件结构示意图的侧视图。
具体实施方式
参照图1，本发明太赫兹波石墨烯互补型微结构调制器的制作方法如下：
步骤1，制作柔性衬底
以普通Si片作为牺牲层7，通过自旋喷涂(spin coated)的方法将含有塑料柔性衬底1的溶液喷涂在上面，然后在烘箱中烘干30分钟左右，烘箱中温度范围在150-200℃，再采用高温炉在惰性气体(或者N2)的保护气氛内加热至300-400℃，形成均匀的柔性衬底薄层。
为降低柔性衬底的影响，其厚度控制在1-10μm左右，最好低于5μm。
步骤2，制作掺杂Si的外延层
通过外延生长方法形成1-10μm厚度的掺杂Si层2，掺杂浓度为2×1016cm-3，Si层电导率为1-10Ω·cm，绝缘性较好，以达到降低损耗的目的。
步骤3，制作绝缘层
采用热蒸发的技术在掺杂外延层Si上形成SiO2层，作为绝缘层3，厚度在10-300nm之间，最佳厚度为70nm左右。
或者通过原子层沉积技术在p-Si上形成50nm的Al2O3薄层，作为绝缘层3，形成温度为200℃，然后用蒸馏水洗掉反应的先驱体。
步骤4，制作石墨烯互补型微结构的有源区层
首先通过传统的石墨烯转移技术将整片石墨烯转移到SiO2绝缘层3上：先把石墨烯转移到聚合物PDMS和/或PMMA上，然后用FeCl3酸洗除去金属衬底，再转移到绝缘层上，最后再用醋酸除去聚合物薄层PDMS和/或PMMA。
然后根据具体设计要求，采用光刻方法除去多余的石墨烯，从而形成满足设计要求的石墨烯互补型微结构有源区层4，如图2给出了几种常见的石墨烯互补型微结构有源区结构，可以是矩形结构(a)、十字形结构(b)、工字型结构(d)和开口谐振环结构(c)等，互补型微结构阵列排布，形成共振单元。
参照图3，为提高石墨烯微结构调制器的调制深度，调制器有源区层4采用多层的石墨烯微结构，总的层数在3-5层，可以在不增加工艺难度的情况下获得很高的调制深度。
参照步骤3和步骤4，重复生长绝缘层3和有源区层4，形成一次叠加的绝缘层和有源区层。将有源区层清洗干净。
步骤5，制作电极
在多层石墨烯微结构有源区结构上蒸镀形成金属层，包括Cr(10nm)层5和Au(100nm)层6，然后通过刻蚀的方法出去多余的光刻胶，但是腐蚀速度要精确控制；以避免对石墨烯微结构的光电性能产生明显的影响。
将制作完成的互补型石墨烯微结构太赫兹调制器从Si衬底上剥离。
参照图4，本发明太赫兹石墨烯互补性微结构调制器的原理如下：入射THz波进入石墨烯微结构调制器中，其中上电极由Cr(10nm厚)5和Au(100nm厚)6组成，以掺杂Si外延层2作为背电极，石墨烯微结构有源区4的费米能级可以通过外加偏压来加以调节。
如图4所示，当石墨烯的费米能级较大时，如1.0eV，石墨烯具有较好的金属特性，石墨烯微结构的共振特性显著，透射率较大；反之，石墨烯的费米能级较低，其金属特性不是很明显，共振特性较弱，透射率较低；同时透射峰的共振位置也会随着费米能级的改变而不同。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (14)
1.一种太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，包括：
——衬底；
——在衬底上生长的掺杂半导体层；
——依次叠加的绝缘层和有源区层；其中最底部绝缘层在掺杂半导体层上生长，顶部为有源区层；所述有源区层为具有为互补微结构的石墨烯层；
——生长在最顶部有源区的电极。
2.根据权利要求1所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，每一个有源区层为一个单层石墨烯层或叠加的多个单层石墨烯层。
3.根据权利要求2所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述每一个有源区层中分别独立地含有的单层石墨烯层的量在3-5层；或者有源区层和绝缘层分别为3-5层。
4.根据权利要求2或3所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，单层石墨烯层厚度在0.1-0.5nm之间。
5.根据权利要求1所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述每一个有源区层的互补微结构为矩形结构、十字形结构、工字型结构、开口谐振环结构中的任意一种或几种，所述互补微结构阵列排布。
6.根据权利要求1所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述衬底为柔性高分子材料衬底。
7.根据权利要求6所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述柔性高分子材料为聚酰亚胺衬底。
8.根据权利要求6或7所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述衬底厚度在1-50μm之间。
9.根据权利要求1所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述绝缘层材料选自SiO2、Al2O3中的任意一种或几种。
10.根据权利要求9所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述绝缘层厚度在10-300nm之间。
11.根据权利要求1所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述掺杂半导体层材料为硅材料。
12.根据权利要求11所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述掺杂半导体层的掺杂浓度在1014-1018cm-3之间。
13.根据权利要求11或12所述的太赫兹石墨烯微结构调制器，其特征在于，所述掺杂半导体层厚度在1-10μm之间。
14.一种制作权利要求1所述太赫兹石墨烯微结构调制器的方法，其特征在于，包括：
——提供衬底；
——在所述衬底上生长掺杂半导体外延层；
——在掺杂半导体外延层上生长绝缘层，绝缘层上生长石墨烯层，然后对石墨烯层进行光刻，形成具有互补微结构的石墨烯有源区层；然后依次重复生长绝缘层和石墨烯互补微结构有源区层，形成叠加的绝缘层和石墨烯互补微结构有源区层；其中最底部绝缘层在掺杂半导体层上生长，顶部为有源区层；
——在顶层石墨烯互补微结构有源区层上蒸镀金属，对金属进行刻蚀形成电极。
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