CN106449381A - 一种基于石墨烯‑金属复合微结构的THz调制器及其制备 - Google Patents

一种基于石墨烯‑金属复合微结构的THz调制器及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯‑金属复合微结构的THz调制器及其制备，所述的THz调制器包括：聚合物柔性衬底层；掺杂半导体外延层；Al2O3绝缘‑有源区结构复合层：生长在掺杂半导体外延层上，由至少一个Al2O3绝缘‑有源区子结构叠加组成，所述的Al2O3绝缘‑有源区子结构包括位于下方的Al2O3绝缘层，以及生长在Al2O3绝缘层上的石墨烯微结构层和金属微结构层，所述的金属微结构层置于石墨烯微结构层内部，并与石墨烯微结构层间隔设置形成THz的有源区子结构；金属层：蒸镀于最上方的一个有源区子结构上，并处理形成金属上电极。与现有技术相比，本发明可以实现对太赫兹波的有效调节，调制器的品质因子高、可调性能好和调制深度大等。

Description

一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器及其制备
技术领域
本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器及其制备和应用。
背景技术
太赫兹(terahertz,THz)波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，处于电子学向光子学的过渡区域，在基础研究和实际应用中都具有广阔的前景。调制器作为波导技术的关键元器件，对促进THz技术在物体成像、生物样品分析和短程无线通信等方面的发展具有非常重要的价值和意义。在THz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。
目前的THz波调制器，根据调制方法不同可分为电致调制、光致调制和机械重构调制等，其中电致调制是通过外加电流或电压实现对入射THz波的控制；根据被调制电磁波的特点可分为幅值调制、共振频率调制和相位调制；而根据调制器件材质则主要包括量子阱调制器、光子晶体调制器和液晶调制器。但是，上述调制器还有很多不足之处。例如，量子阱调制器需在低温下工作；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；而液晶调制器对温度敏感、调制速度较慢(KHz)、频率调节范围较小(液晶材料在THz波段的双折射率较低)。
为提高调制器性能，迫切需要探索对THz波产生强烈电磁响应的基质和器件，但是自然界中的大部分材质都难以满足要求。周期性超材料(超结构，Metamaterials,MMs)在很大程度上缓解了此难题，其性质和功能主要取决于结构单元的几何形状及空间分布，可以根据实际需求人工设计出不同与自然媒质物理性能的功能材料器件。另外，为扩展超材料器件的功能和工作范围，可将液晶或半导体材料引入微结构单元中，然后通过外加泵浦光或电场来操控THz波。超材料常见的构成材质(基质)主要有金属(Ag,Au)、超导体(YBCO)和半导体(如InSb，VO2)，不过它们的电磁和光学性质较难调节。石墨烯(graphene)是典型的二维纳米材料，具有众多优点，如迁移率高、光生载流子的产生和弛豫时间快(在ps量级)，其光电性质也可通过外加电场或磁场进行调节，是研究超材料和表面等离子激元(surfaceplasmons,SPs)器件的良好平台。石墨烯SPs可增强入射波与石墨烯间的相互作用，具有低损耗、模式限制作用强和良好的电致可调性。此外，在THz波段石墨烯中的带内跃迁起主导作用，载流子浓度随费米能级有显著改变，对提高调制深度非常有利。因此，石墨烯很适合用来制作THz波调制器。
Fano共振效应最早由U.Fano在1961年提出，被用来解释He原子中的自发离化现象，即当分立的激发态能级与连续态能级重叠时,两者之间通过量子干涉相长或相消，使光谱呈非对称线型。后来Fano共振现象在很多领域广泛存在，如纳米颗粒阵列、Aharonov-Bohm环状结构和表面等离子激元体系。与对称Lorentz谱线相比，Fano的非对称的共振谱线较窄，对周围介质的变化也很敏感，微小的扰动即可导致谱线发生明显的位移，在设计调制器件和慢光器件等方面有很好的应用。近来研究还表明，在超材料器件中引入非对称微结构中也可产生与Fano效应类似的Plasmonic Induced Transparency(PIT)现象。PIT是基于“明态”和“暗态”两种模式在共振透明窗口内耦合而形成高的透射峰，具有带宽高和整合回路强等优点，并可能在室温下实现。
目前已有的THz石墨烯调制器一般采用整片石墨烯作为有源区结构。例如，Deglinnocenti等人采用顶栅压(top-gated)技术实现了对THz波的低偏压调制，调制偏压仅为0.5V，幅值调制深度达到18％。但是这些THz石墨烯调制器的共振谱线较宽，品质因子很低；对入射波幅值的调制深度不是太高(调制深度一般低于20％)，器件的响应速度和灵敏度也较低，石墨烯调制器的优势没有充分体现出来；在工作带宽和响应速度等方面都不能满足THz技术发展的要求，特别是在成像、生物样品分析和无线通讯等众多实际应用领域。因此，研究开发性能良好(品质因子高、可调性能好和调制深度大)的调制器件对THz技术的进一步发展非常重要。
中国专利201410416956.X公开了一种种基于高Q环形谐振腔的石墨烯电光调制器，包括高Q环形谐振系统，在其环形波导上取周长的一部分覆盖制作双层石墨烯薄膜调制系统，双层石墨烯薄膜调制系统包括底层电介质层、底层石墨烯、中间电介质层和顶层石墨烯，在顶层石墨烯和底层石墨烯之间加入电压V(t)。该专利采用整片石墨烯作为有源区结构，品质因子、可调性能和调制深度均不是特别理想。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器及其制备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，包括：
聚合物柔性衬底层；
掺杂半导体外延层：生长在聚合物柔性衬底层上，并作为THz调制器的背电极；
Al2O3绝缘-有源区结构复合层：生长在掺杂半导体外延层上，由至少一个Al2O3绝缘-有源区子结构叠加组成，所述的Al2O3绝缘-有源区子结构包括位于下方的Al2O3绝缘层，以及生长在Al2O3绝缘层上的石墨烯微结构层和金属微结构层，所述的金属微结构层置于石墨烯微结构层内部，并与石墨烯微结构层间隔设置形成THz的有源区子结构；
金属层：蒸镀于最上方的一个有源区子结构上，并处理形成金属上电极。
进一步的，所述的聚合物柔性衬底层由塑料柔性衬底溶液制成，其厚度为1-50μm；优选的，厚度为2-10μm。
进一步的，所述的掺杂半导体外延层为掺杂Si层，其厚度为1-10μm，载流子掺杂浓度为1015-1018cm-3，电导率为1-10Ω·cm；优选的，掺杂半导体外延层的厚度为1-5μm，掺杂浓度为1016-5×1016cm-3。掺杂Si层中的载流子浓度可以通过扩散和离子注入等常见半导体掺杂方法实现并确定。
进一步的，所述的Al2O3绝缘-有源区结构复合层由3-5个Al2O3绝缘-有源区子结构叠加而成。此种结构的Al2O3绝缘-有源区结构复合层可以提高调制波形的调制深度和速度。
进一步的，每个Al2O3绝缘-有源区子结构中：
进一步的，所述的Al2O3绝缘层的厚度为10-200nm，优选的，厚度为60-80nm。
进一步的，石墨烯微结构层为单层石墨烯，其厚度为0.34nm；
金属微结构层为Au、Ag或Cu微结构层，其厚度为150-250nm。
进一步的，所述的石墨烯微结构层和金属微结构层均呈方框状；
同一Al2O3绝缘-有源区子结构中，石墨烯微结构层和金属微结构层之间的间隔为5-30μm。
进一步的，所述的金属层包括蒸镀于最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构的石墨烯微结构层上的Au薄层，以及蒸镀于Au薄层上的Cr薄层。
更进一步的，所述的Au薄层的厚度为80-120nm，所述的Cr薄层的厚度为5-15nm。
进一步的，基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，烘干固化后，得到聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长法在聚合物柔性衬底层上形成掺杂半导体外延层；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，冲洗干净，制得Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再处理形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
更进一步的，步骤(1)中：
烘干的工艺条件为：在150-200℃内干燥20-40min，固化的工艺条件为：在惰性气体保护下加热到300-400℃；
步骤(3-1)中：原子层沉积Al2O3的温度为180-220℃。
本发明基于石墨烯-金属复合微结构的Fano共振效应的THz调制工作原理如图2所示，具体如下：
金属上电极可以为Cr 10nm/Au 100nm等复合组成，以掺杂半导体(如Si等)外延层作为背电极，当入射THz波进入石墨烯-金属复合微结构调制器后，金属微结构层与石墨烯微结构层中的共振模式相互耦合，从而形成谱线较窄的Fano共振谱线，其中，石墨烯微结构作为有源区，其费米能级可以通过外加偏压来加以调节。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，Fano共振增强；反之，当石墨烯费米能级较低，其金属特性不是很明显，共振特性较弱，Fano共振减弱；同时透射峰的共振位置也会随着费米能级的改变而不同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过将石墨烯微结构与金属微结构复合起来，保持适当距离间隔设置的石墨烯微结构层与金属微结构层可以形成非对称的Fano共振谱线，这样通过适当调节在石墨烯-金属复合微结构和半导体背电极层之间施加外电压，从而改变石墨烯的费米能级，进而调节Fano共振的波形。
(2)本发明还可以对柔性衬底的材料尺寸，背电极中的掺杂浓度电阻，绝缘层的厚度等进行选择优化，从而进一步获得较大的调制深度和较低的损耗。
(3)最后制得的调制器的品质因子高、可调性能好和调制深度大。
(4)制备工艺相对简单，适合于规模化生产应用。
附图说明
图1为Fano共振效应的示意图；
图2为本发明基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的THz调制器原理示意图；
图3为本发明基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的THz调制器的结构示意图的俯视图；
图4为本发明基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的THz调制器件结构示意图的侧视图；
图5为本发明基于石墨烯-金属复合微结构的Fano共振效应的THz调制器的制作工艺流程示意图；
图6为本发明的基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的THz调制器件的模拟结果图；
图中，01-牺牲层，02-聚合物柔性衬底层，03-掺杂半导体外延层，04-Al2O3绝缘层，05-石墨烯微结构层，06-金属微结构层，07-Au薄层，08-Cr薄层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图1～图5所示，石墨烯-金属复合微结构的THz调制器通过以下步骤制成：
(1)制作聚合物柔性衬底层02：以普通Si片作为牺牲层01，通过自旋喷涂(spincoated)的方法将含有塑料聚合物柔性衬底层02的溶液喷涂在上面，然后在烘箱中烘干30分钟左右，温度范围在150-200度，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(优选350度)，形成均匀的聚合物柔性衬底层02薄层；
(2)制作掺杂Si的外延层：通过外延生长方法形成1-10μm厚度的掺杂半导体外延层03，掺杂浓度为3×1016cm-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；
(3)采用原子层沉积技术在p-Si上形成Al2O3 10-200nm薄层，最佳厚度约为60-80nm，形成温度为200度，然后用蒸馏水冲洗干净；
(4)制作石墨烯微结构层05的有源区：首先通过传统的石墨烯转移技术将整片石墨烯转移到Al2O3绝缘层04上，然后根据具体设计要求，如图3和4所示，采用光刻方法或者氧等离子体刻蚀的方法除去多余的石墨烯，从而形成满足设计要求的石墨烯微结构层05有源区；
(5)然后采用传统的光刻技术制作成金属微结构层06，金属微结构层06的形状根据具体的设计要求，如图3所示，金属微结构层06的厚度200nm左右，同时控制好与上述石墨烯微结构层05的间距，以便形成强烈的Fano共振谱线；
(6)重复步骤(4)和(5)形成多层石墨烯-金属复合微结构的调制器有源区；
(7)采用去离子水将聚合物柔性衬底层02支撑的基于石墨烯复合微结构的Fano共振效应的THz调制器有源区清洗干净，3-5遍以上，然后在保护性气氛下(Ar或者N2)内吹洗干净烘干，然后在多层石墨烯微结构层05有源区结构上蒸镀形成金属层(Cr 10nm/Au100nm)；
(8)通过刻蚀的方法除去多余的光刻胶，制作太赫兹石墨烯复合微结构调制器的金属上电极，但是腐蚀速度要精确控制，以避免对石墨烯复合微结构的光电性能产生明显的影响。
(9)将基于Fano共振效应的石墨烯-金属复合微结构太赫兹调制器从Si衬底上剥离，得到在聚合物柔性衬底层02上的太赫兹石墨烯器件。
图1为本发明所涉及的Fano共振的原理图，其中图1(a)为通常Fano体系的机制原理，即在入射光的作用下离散态|d>与连续态|c>相互作用，形成非对称的Fano共振谱线；图1(b)为本发明基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的原理图，在入射波的作用下，金属微结构层06与石墨烯微结构层05所形成的共振模式相互耦合形成非对称的Fano共振谱线。通过改变石墨烯的费米能级调节其共振模式，从而引起复合微结构的Fano共振谱线的波形调制。
图2为本发明基于石墨烯-金属复合微结构的Fano共振效应的THz调制器的原理示意图，上电极由(Cr 10nm/Au 100nm)组成，以掺杂Si外延层作为背电极，当入射THz波进入石墨烯复合微结构调制器后，金属微结构层06与石墨烯微结构层05中的共振模式相互耦合，从而形成谱线较窄的Fano共振谱线。其中，石墨烯微结构层05作为有源区，其费米能级可以通过外加偏压来加以调节。如图2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，石墨烯微结构层05的共振特性显著，Fano共振增强；反之，当石墨烯费米能级较低，其金属特性不是很明显，共振特性较弱，Fano共振减弱；同时透射峰的共振位置也会随着费米能级的改变而不同。
图3为本发明基于石墨烯复合微结构THz调制器结构示意图的俯视图，即石墨烯微结构层05与金属微结构层06形成的复合微结构，两者的间距为g。
图4为本发明基于石墨烯复合微结构THz调制器结构示意图的侧视图，为提高THz石墨烯微结构层05调制器的性能，调制器有源区采用Al2O3绝缘-有源区子结构所组成的复合层结构，最佳周期层数为3-5层，这样可以在不增加工艺难度的情况下获得很高的调制深度。
图5中，聚合物柔性衬底层02的制作通过自选喷涂的方法制得，为降低聚合物柔性衬底层02的影响，其厚度控制在1-10μm左右，最好低于5μm；
图6为本发明基于石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的THz调制器件的模拟结果；图中Al2O3绝缘-有源区结构复合层由3个Al2O3绝缘-有源区子结构叠加而成。当石墨烯的费米能级在0.1-1.0eV之间调节的情况下，低频透射谱线谷值的幅值调制深度为83.69％，频率调制深度为27.2％；Fano共振峰的频率调制深度为10.6％，幅值调制深度为6.86％，其中，幅值调制深度的定为(Tmax-Tmin)/Tmax，频率调制深度的定为：(fmax-fmin)/fmax。
背电极Si层(即掺杂半导体外延层)通过外延生长方法获得，厚度在1-5μm之间，电导率在1-10Ω·cm，载流子浓度不能太高，掺杂浓度在3×1016cm-3左右，以免造成太大的损耗。
Al2O3绝缘层通过原子层沉积的方法制作，厚度在10-200nm，最好在60-80nm左右；
整片石墨烯转移，即将石墨烯从金属衬底上转移到Al2O3/Si层上；具体为：先把石墨烯从金属衬底上转移到PDMS和PMMA上，然后用FeCl3酸洗除去金属衬底，再转移到Al2O3/Si层上，最后再用醋酸除去聚合物薄层；
石墨烯微结构层05有源区制作完成以后，在去离子水中冲洗3-5遍，然后在烘箱中烘干；
在制作好石墨烯微结构层05的基础上，采用光刻和电子束曝光方法制作金属微结构层06，石墨烯微结构层05与金属微结构层06的间距控制在5-30μm之间；
金属上电极Cr 10nm 08/Au 100nm 07的制作：首先将Cr和Au薄层蒸镀到石墨烯-金属复合微结构上面，然后通过光刻的方法形成金属电极；
在形成上金属电极以后，将器件从Si片01上剥离，得到在聚合物柔性衬底层02上的石墨烯微结构层05调制器件。
实施例2
基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，在150℃内干燥40min烘干，再在惰性气体保护下加热到400℃固化处理，得到厚度为1μm的聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长方法形成1μm厚度的掺杂Si层，掺杂浓度为1015cm-3，Si层电导率为1Ω·cm；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，形成温度为200摄氏度，然后用蒸馏水冲洗干净，制得厚度为10nm的Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到呈方框状的厚度为0.34nm的石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作厚度为200nm左右的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，保证间隔在5μm左右，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再通过刻蚀的方法处理金属层，形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
实施例3
基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，在200℃内干燥20min烘干，再在惰性气体保护下加热到300℃固化处理，得到厚度为50μm的聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长方法形成10μm厚度的掺杂Si层，掺杂浓度为1018cm-3，Si层电导率为10Ω·cm；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，形成温度为200摄氏度，然后用蒸馏水冲洗干净，制得厚度为200nm的Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到呈方框状的厚度为0.34nm的石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作厚度为200nm左右的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，保证间隔在30μm左右，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再通过刻蚀的方法处理金属层，形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
实施例4
基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，在180℃内干燥30min烘干，再在惰性气体保护下加热到350℃固化处理，得到厚度为10μm的聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长方法形成5μm厚度的掺杂Si层，掺杂浓度为1016cm-3，Si层电导率为5Ω·cm；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，形成温度为200摄氏度，然后用蒸馏水冲洗干净，制得厚度为60nm的Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到呈方框状的厚度为0.34nm的石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作厚度为200nm左右的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，保证间隔在15μm左右，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再通过刻蚀的方法处理金属层，形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
实施例5
基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，在170℃内干燥25min烘干，再在惰性气体保护下加热到340℃固化处理，得到厚度为2μm的聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长方法形成2μm厚度的掺杂Si层，掺杂浓度为5×1016cm-3，Si层电导率为4Ω·cm；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，形成温度为200摄氏度，然后用蒸馏水冲洗干净，制得厚度为80nm的Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到呈方框状的厚度为0.34nm的石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作厚度为200nm左右的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，保证间隔在10μm左右，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再通过刻蚀的方法处理金属层，形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
实施例6
基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，在190℃内干燥35min烘干，再在惰性气体保护下加热到360℃固化处理，得到厚度为6μm的聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长方法形成2μm厚度的掺杂Si层，掺杂浓度为3×1016cm-3，Si层电导率为4Ω·cm；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，形成温度为200摄氏度，然后用蒸馏水冲洗干净，制得厚度为70nm的Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到呈方框状的厚度为0.34nm的石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作厚度为200nm左右的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，保证间隔在20μm左右，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再通过刻蚀的方法处理金属层，形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，包括：
聚合物柔性衬底层；
掺杂半导体外延层：生长在聚合物柔性衬底层上，并作为THz调制器的背电极；
Al2O3绝缘-有源区结构复合层：生长在掺杂半导体外延层上，由至少一个Al2O3绝缘-有源区子结构叠加组成，所述的Al2O3绝缘-有源区子结构包括位于下方的Al2O3绝缘层，以及生长在Al2O3绝缘层上的石墨烯微结构层和金属微结构层，所述的金属微结构层置于石墨烯微结构层内部，并与石墨烯微结构层间隔设置形成THz的有源区子结构；
金属层：蒸镀于最上方的一个有源区子结构上，并处理形成金属上电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的聚合物柔性衬底层由塑料柔性衬底溶液制成，其厚度为1-50μm；优选的，厚度为2-10μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的掺杂半导体外延层为掺杂Si层，其厚度为1-10μm，载流子掺杂浓度为1015-1018cm-3，电导率为1-10Ω·cm；优选的，掺杂半导体外延层的厚度为1-5μm，掺杂浓度为1016-5×1016cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的Al2O3绝缘-有源区结构复合层由3-5个Al2O3绝缘-有源区子结构叠加而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，每个Al2O3绝缘-有源区子结构中：
所述的Al2O3绝缘层的厚度为10-200nm，优选的，厚度为60-80nm；
石墨烯微结构层为单层石墨烯，其厚度为0.34nm；
金属微结构层为Au、Ag或Cu微结构层，其厚度为150-250nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的石墨烯微结构层和金属微结构层均呈方框状；
同一Al2O3绝缘-有源区子结构中，石墨烯微结构层和金属微结构层之间的间隔为5-30μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的金属层包括蒸镀于最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构的石墨烯微结构层上的Au薄层，以及蒸镀于Au薄层上的Cr薄层。
8.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器，其特征在于，所述的Au薄层的厚度为80-120nm，所述的Cr薄层的厚度为5-15nm。
9.如权利要求1-8任一所述的基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作聚合物柔性衬底层
以普通Si作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液喷涂在牺牲层上，烘干固化后，得到聚合物柔性衬底层；
(2)制作掺杂半导体外延层
通过外延生长法在聚合物柔性衬底层上形成掺杂半导体外延层；
(3)制作Al2O3绝缘-有源区结构复合层
(3-1)在掺杂半导体外延层上原子层沉积Al2O3，冲洗干净，制得Al2O3绝缘层；
(3-2)将整片石墨烯沉积到Al2O3绝缘层上，去除多余石墨烯，得到石墨烯微结构层；
(3-3)继续在Al2O3绝缘层上制作的金属微结构层，保证石墨烯微结构层包围金属微结构层，且石墨烯微结构层与金属微结构层之间间隔设置，形成一个Al2O3绝缘-有源区子结构；
(3-4)在上述Al2O3绝缘-有源区子结构上重复步骤(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al2O3绝缘-有源区结构复合层；
(4)制作金属区
清洗Al2O3绝缘-有源区结构复合层，干燥后，在Al2O3绝缘-有源区结构复合层最上方的一个Al2O3绝缘-有源区子结构中的石墨烯微结构层上的石墨烯微结构层上蒸镀金属层，再处理形成金属上电极；
(5)剥离牺牲层，即得到在聚合物柔性衬底层上的石墨烯-金属复合微结构THz调制器。
10.根据权利要求9所述的基于石墨烯-金属复合微结构的THz调制器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：
烘干的工艺条件为：在150-200℃内干燥20-40min，固化的工艺条件为：在惰性气体保护下加热到300-400℃；
步骤(3-1)中：原子层沉积Al2O3的温度为180-220℃。
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