CN108666763A - 一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高掺杂半导体的高效宽带太赫兹吸收器，该半导体宽带太赫兹吸收器共由两层结构组成，顶层由一圆环和一圆柱体构成，衬底是正方体，该宽带太赫兹吸收器所用材料均为同等掺杂浓度的高掺杂半导体，其基于硅材料通过高掺杂在太赫兹波段形成了等离子体材料，实现了入射到结构表面的电磁波几乎完全被吸收的特性，本发明拥有结构简单、无需多层材料堆叠、便于加工、极化不敏感、吸收效率高、吸收频带较宽与宽角度吸收等特点，可基本满足对太赫兹吸收方面的应用的要求。

Description

一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器

技术领域

本发明属于基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器，属于高掺杂半导体在太赫兹波段应用领域。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱处于微波和红外光之间，波长通常为30μm ~3mm，太赫兹波包含了频率为0.1到10THz之间的电磁波。太赫兹辐射一直被认为是较为安全的辐射，尤其是相较于X射线而言。它可以穿透很多常用的介质材料如纸，皮革，塑料，木头等，同时又因为其相对较低的光子能量而不会对生物体造成明显的伤害，因此太赫兹波被广泛应用于半导体；医药科学；国防安全及信息技术等领域。但是在一些领域还是要避免太赫兹辐射的影响，所以对于能够实现太赫兹高高效宽带吸波器的需求与日俱增，这将有着无与伦比的学术意义。

随着现代信息化战争的发展，太赫兹吸收器的研究引发了越来越广泛的关注，太赫兹吸收器指的是能够将入射的太赫兹波段的电磁波的大部分能量吸收并将这些能量转化其他形式的能量从而达到几乎无反射的一类特殊材料，2014年，W Withayachumnankul等人研究出一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器，详细叙述了以半导体为基础作为吸收器的优点，尽管已有的关于太赫兹波吸收器的报道都具有良好的吸波性能，但通常只能在单个或多个谐振点处进行窄带吸波，无法达到宽带甚至是超宽带的吸波效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单，易于加工，吸收高效稳定，带宽大的太赫兹宽带吸收器，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是: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：

本技术方案中，以重掺杂的P型硅为基础，掺杂浓度为6.8×10¹⁷cm^-3；所述太赫兹吸波器的结构为一层为正方形高掺杂硅材料衬底层，另加一层圆环与圆柱组成的双层结构，该结构为一维或二维周期性结构，周期为200μm；

在上述的基于高掺杂半导体的高效宽带吸收器结构中，所述正方形衬底厚度为240~270μm，根据参数扫描后，确定的优选厚度为245μm,顶层的圆环与圆柱组成结构厚度为30~60μm，优选厚度为50μm；

本发明的顶层结构的圆环外半径为75μm，内半径为60μm，圆柱半径为35μm，圆环与圆柱之间的间隙为25μm；

本宽带太赫兹吸收器所采用的圆环、圆柱、正方体均为中心对称结构。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本宽带太赫兹吸收器装置以重掺杂P型硅为基础，对比于N型掺杂，P型重掺杂硅本身对太赫兹波有着较高的吸附性，且对吸收峰有展宽作用，从而可以形成宽频的吸收谱;

本发明所述的宽带太赫兹吸收器，顶层结构当太赫兹波段的电磁波垂直入射时，形成等离子体模式，通过改变硅的掺杂浓度可有效改变该结构的吸波性能，最后再通过改变结构尺寸，厚度，晶格周期，增加本吸收器的宽带吸收率，优选方案，所述的宽带吸收器的吸收在90%以上的频带宽度达到1.2THz，最大吸收率高达99.996%;

本发明单元结构采用平面下的四倍对称结构，这种结构可以吸收任意极化角度的电磁波；

本发明还具有宽入射角的特点，在入射角为50°时，仍然保持着宽带高效的吸收特性；

本发明所述太赫兹宽带吸收器一维或二维周期形结构，具有图形简单，不需要多层超材料堆叠，易于实现集成，具有宽频带高吸收等优点，可用于太赫兹波的收集和探测。

附图说明

图1是本发明的宽带太赫兹吸波器的俯视图；

图2是本发明的三维视图；

图3是本发明未加形状与设计形状后的吸收特性示意图；

图4是本发明在不同的圆柱体半径的吸收特性示意图；

图5是本发明在不同角度入射时的吸收特性示意图。

具体实施方式

参照图1、图2可知，本发明是基于高掺杂P型硅构成周期为200μm的结构，其中正方体1为衬底，在其上叠加一层厚度为50μm的同等掺杂浓度的圆环2与圆柱3，掺杂浓度为6.8´10¹⁷cm^-3,再根据Drude模型理论计算方法计算出其载流子迁移率为200cm²/(VS),电导率约为0.055Ω·cm，其中圆环的外半径为75μm,内半径为60μm,圆柱的半径为35μm,由图可得，顶层的高掺杂硅结构类似于一个等离子谐振器，支持表面等离子模式；当太赫兹光束垂直入射到结构上时，可以激发结构表面等离子体激元(SPPs)，产生局域表面等离子体谐振，增强了对电磁波的约束，同时由于结构对太赫兹辐射是不透明的，结构的吸收率能够直接从反射谱中得到。

从图3所显示的加入上方结构与未加结构所对应的吸收率可知，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，并且有着约1.2THz的吸收带宽，实现高效的宽带吸收。

从图4显示数据可知此谐振较依赖于圆环与圆柱之间的缝隙，当圆柱半径逐渐缩小，间隙宽度分别为15μm、20μm、25μm时，吸收率表现最好的是当间隙为最宽的25μm时，由此可得间隙越宽，结构的吸收性能越好，表明谐振峰可以很容易通过调节圆环与圆柱之间的间隙进行调整，从而实现更高更宽频的吸波器。

由图5可知，当入射角度分别为30°、50°时，依次与入射角为0°即垂直入射进行对比，可以看出当改变入射角之后，此结构依旧保持着90%以上的宽带吸收率，由此可得出此结构有着宽角度高效宽带太赫兹吸收的优良特性。

本发明考虑到了器件原理，实际加工的可操作性，结构难易等要求提出一种基于高掺杂硅作为表面等离子体材料的太赫兹波段的宽带吸收结构；其原理是通过控制高掺杂浓度硅材料的掺杂浓度进而改变其等离子体频率使其略高于太赫兹波段，能实现太赫兹波段的表面等离子体模式，同时该材料的介电常数的虚部比实部大，可以在吸波方面得到很好的应用。

Claims (3)

1.一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器，所述的宽带太赫兹吸收器结构为正方体作为衬底，顶层为一圆环与圆柱组成的设计图样，两层结构紧密贴合；本发明具有吸收率高、极化不敏感、宽角度入射等特点，对在太赫兹频段的电磁波有着宽频段的吸收。

2.根据权利要求1所述的吸收器其特征在于：

所述宽带太赫兹吸收器的衬底为高掺杂P型硅，掺杂浓度为6.8×10¹⁷cm^-3，对应的电导率为0.055Ω·cm ，其厚度为245μm，周期为200μm。

3.根据权利要求1，该宽带太赫兹吸收器的特征在于顶层结构的圆环外半径为75μm，内半径为60μm，圆柱半径为35μm，圆环与圆柱之间的间隙为25μm，结构厚度为50μm，所用材料为与衬底同为同等浓度的高掺杂硅。