CN109066095B - 一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，包括掺杂半导体材料基体，掺杂半导体材料基体表面制作有一层微结构阵列，该微结构阵列包含若干均匀排列的微结构单元，该微结构单元能够响应THz波，所述微结构单元中还设计有矩形波导结构以增加吸收带宽，掺杂半导体材料基体为p型硅材料，掺杂浓度为～0.3×1017/cm3，半导体材料基体厚度为250～300μmm，电阻率为0.5Ω·cm，微结构单元为H型微结构单元，每个H型微结构单元相对几何中心上下、左右均对称，H型微结构单元厚度为53μm，本发明还公开了宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法，本发明解决了现有技术中存在的太赫兹波器件体积较大、且带宽有限的问题。

Description

一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，本发明还涉及一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波，位于射频与光波之间的频率为0.1THz到10THz的电磁波，因在非接触成像、无线通信、光谱传感等方面有重要应用价值而受到材料、物理与光子学等领域科研人员的广泛关注。
然而，目前的太赫兹波器件普遍体积较大，小型化太赫兹吸收器、调制器等功能器件的缺乏限制了THz技术的应用。而能够自然响应THz波的超材料引起了学术界和工业界的广泛注意。利用传统金属-介质合成的超材料可以实现完美吸收器、滤波器以及调制器。然而，金属材料在THz波段的内在损耗较高而且不可控，此外，要实现宽带吸收，需要复杂的多层结够，增加了实际加工难度。上述THz吸收器一旦制备好，只能响应特定频率的THz 波，而且带宽有限。近乎完美的THz吸收器在光谱检测、无线通信、近场成像等领域有潜在的应用。此外，在THz波段，常常要求宽带工作。因此，有必要设计THz波段的宽带吸波器，开发制备工艺简单、宽带可调谐THz吸收器成为目前的热点工作，有待进一步研究和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，解决了现有技术中存在的太赫兹波器件体积较大、且带宽有限的问题。
本发明的另一目的是提供一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，包括掺杂半导体材料基体，掺杂半导体材料基体表面制作有一层微结构阵列，该微结构阵列包含若干均匀排列的微结构单元，该微结构单元能够响应THz 波，所述微结构单元中还设计有矩形波导结构以增加吸收带宽。
本发明第一技术方案的特点还在于，
掺杂半导体材料基体为p型硅材料，掺杂浓度为～0.3×1017/cm3，半导体材料基体厚度为250～300μmm，电阻率为0.5Ω·cm。
微结构单元为H型微结构单元，每个H型微结构单元相对几何中心上下、左右均对称，H型微结构单元厚度为53μm。
H型微结构单元中间半导体的长和宽都是d＝8～12μm，矩形波导长 a＝82μm，宽l＝12μm。
掺杂半导体材料基体表面的微结构阵列周期为a＝110μm。
微结构单元为能够响应THz波的图形结构，比如圆柱型、方型或其他分形结构。
本发明所采用的第二技术方案是，一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、清洗抛光硅片，并干燥处理；
步骤2、将经步骤1干燥处理后的硅片一侧表面旋涂一层光刻胶，再次将涂有光刻胶的衬底进行二次干燥处理；
步骤3、将掩膜版对准硅衬底后进行曝光，显影后得到周期性的结构图案；
步骤4、利用深度反应离子刻蚀技术获得最终的微结构单元，并利用丙酮去除剩余光刻胶，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器。
本发明第二技术方案的特点还在于，
步骤1中干燥处理过程为：将衬底放置在热板上，控制温度为130°，烘烤时间2分钟。
步骤2中干燥处理过程为：将涂有光刻胶的衬底放置在热板上，控制温度为130°，烘烤时间2分钟。
步骤4中微结构单元的刻蚀厚度为53μm。
本发明的有益效果是，一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，通过合理选择半导体材料基体并设计H型微结构的几何尺寸以及单元周期，实现了入射 THz波在30度斜入射角度内的完全吸收。在不同能量光照条件下，该吸收器实现了吸收峰位置与带宽的改变，实现了可调谐特性。
附图说明
图1(a)是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的结构示意图；
图1(b)是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器平面几何参数示意图；
图2是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器实物图；
图3是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器THz波垂直入射时的吸收结果图；
图4是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器在不同载流子浓度下的 THz吸收响应结果图；
图5是本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器在不同入射角度的THz 吸收特性图。
图中，1.掺杂半导体材料基体，2.微结构单元，3.矩形波导结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，结构如图1(a)、图1(b)及图2所示，包括掺杂半导体材料基体1，掺杂半导体材料基体1表面制作有一层微结构阵列，该微结构阵列包含若干均匀排列的微结构单元2，该微结构单元2能够响应THz波，微结构单元2中还设计有矩形波导结构3以增加吸收带宽。
掺杂半导体材料基体1为p型硅材料，掺杂浓度为～0.3×1017/cm3，半导体材料基体厚度为250～300μmm，电阻率为0.5Ω·cm。
微结构单元2为H型微结构单元，每个H型微结构单元相对几何中心上下、左右均对称，H型微结构单元厚度为53μm。
微结构单元2同掺杂半导体材料基体1我同一种材料，均为p型硅材料。
H型微结构单元中间半导体的长和宽都是d＝8～12μm，矩形波导结构3 长a＝82μm，宽l＝12μm。
掺杂半导体材料基体1表面的微结构阵列周期为a＝110μm。
微结构单元2为能够响应THz波的图形结构，比如圆柱型、方型或其他分形结构。
本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，能够通过外界光照强度的变化对所述的吸收器的响应特性进行调制：当光照强度增加时，相对未受光照时的吸收峰值频率发生蓝移，而且光照越强，蓝移越明显，同时吸收器带宽变窄；当光照继续增强时，吸收器出现饱和吸收现象。
一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、清洗抛光硅片，并将衬底放置在热板上，控制温度为130°，烘烤2分钟；
步骤2、将经步骤1干燥处理后的硅片一侧表面旋涂一层光刻胶，再次将涂有光刻胶衬底在加热板上烘烤2分钟；
步骤3、将掩膜版对准硅衬底后进行曝光，显影后得到周期性的结构图案；
步骤4、利用深度反应离子刻蚀技术获得最终的微结构单元，其中微结构单元的厚度为53μm，并利用丙酮去除剩余光刻胶，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器。
本发明一种宽带可调谐太赫兹波吸收器，从图3可以看出，THz波垂直入射时，在0.93THz中心频率处对应的吸收率为99.9％，吸收率大于90％的频率范围为0.53THz到1.38THz，吸收带宽为0.84THz，覆盖了90.3％的中心频率。
图4为本发明提供的宽带可调谐太赫兹波吸波器在不同光照强度情况下的吸收特性。光照不同时，对应半导体材料中不同的光激发载流子浓度，因此不同光照可以通过不同半导体载流子浓度表示。从图4中可以看出，载流子浓度低于8.0×1017/cm3时，在吸收率大于80％时保持良好的吸收特性，其吸收带宽较宽，可以达到上限频率2.0THz；而当载流子浓度大于8.0×1017/cm3时，吸收率大于80％的带宽变窄，约为1.0THz。载流子浓度继续增加时，其吸收出现饱和现象。除此之外，可以发现随着载流子浓度的增加，太赫兹波吸收器的吸收峰频率发生蓝移。
本发明在所关心的吸收频率范围内对太赫兹波斜入射仍保持着良好的吸收特性，从图5中可以看出，当入射角度增加到60度时，吸收率在一定频率范围内仍保持在90％以上，从而可以满足大角度斜入射时器件的吸收能力。
本发明结构简单，一次设计即可完成，掩膜版可用重复性强，不需要多层结构就可以获得吸收率高、宽带吸收等效果，可用于太赫兹波宽频段吸收，宽带太赫兹吸波器在近场检测、成像以及通信等领域有潜在的应用。

Claims (1)

1.一种宽带可调谐太赫兹波吸收器的制作方法，其特征在于，宽带可调谐太赫兹波吸收器结构包括：掺杂半导体材料基体(1)，掺杂半导体材料基体(1)表面制作有一层微结构阵列，该微结构阵列包含若干均匀排列的微结构单元(2)，该微结构单元(2)能够响应THz波，所述微结构单元(2)中还设计有矩形波导结构(3)以增加吸收带宽，所述掺杂半导体材料基体(1)为p型硅材料，掺杂浓度为0.3×1017/cm3，半导体材料基体厚度为250～300μm，电阻率为0.5Ω·cm，所述微结构单元(2)为H型微结构单元，每个H型微结构单元相对几何中心上下、左右均对称，H型微结构单元厚度为53μm，所述H型微结构单元中间半导体的长和宽都是d＝8～12μm，矩形波导结构(3)竖直开设于H型微结构单元的两条长边上，两边矩形波导结构(3)长a＝82μm，宽l＝12μm，所述掺杂半导体材料基体(1)表面的微结构阵列周期为α＝110μm，具体按照以下步骤实施：
步骤1、清洗抛光硅片，并干燥处理，干燥处理过程为：将衬底放置在热板上，控制温度为130°，烘烤时间2分钟；
步骤2、将经步骤1干燥处理后的硅片一侧表面旋涂一层光刻胶，再次将涂有光刻胶的衬底进行二次干燥处理，干燥处理过程为：将涂有光刻胶的衬底放置在热板上，控制温度为130°，烘烤时间2分钟；
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