CN110596917B - 一种太赫兹波光控调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于钝化工艺生长钝化膜的太赫兹波光控调制器及其制备方法，其中，在本征半导体材料上，利用原子层沉积系统、等离子体增强化学的气相沉积法或者低压力化学气相沉积法在半导体材料的太赫兹波入射面和太赫兹波出射面上都沉积钝化层，所述钝化层为氧化铝膜、氮化硅或者氧化硅。使用钝化工艺来改善本征半导体材料的表面缺陷，从而获得更高的载流子浓度，如此能够降低太赫兹波相关系统对照明的要求和成本，便于系统更加集成和用户的操作。此外，钝化层能隔绝半导体与空气的接触，防止氧化和污染，增强了太赫兹波光控调制器的稳定性，提高了调制器的使用寿命。

Description

一种太赫兹波光控调制器及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波传感与成像技术领域，具体涉及一种太赫兹波的调控器件。

背景技术

太赫兹波是指(频率10¹¹Hz-10¹³Hz或波长30μm-3mm)位于微波波段与光学波段之间的相干电磁辐射。它处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置，因而具有独特的性质。例如，许多重要生物分子(如蛋白质、DNA)和生物细胞的低频振动(如分子的骨架集体振动、转动以及分子之间的弱作用力)特征模式均处于太赫兹频谱范围内(光谱指纹性)。基于太赫兹光谱分析，可以解析生物分子的空间构象、反应动力学、水化作用及生物功能等相关信息。此外，太赫兹波能够穿透多种非极性材料(纸张，塑料，陶瓷等)，实现隐藏目标成像。特别地，相比于应用广泛的X射线，太赫兹波的光子能量较低(0.41-41meV)，这使得太赫兹波对生物分子无损伤，对生物细胞无电离，可以作为一种理想的生物医学无损检测手段。太赫兹波的传感及成像被视为太赫兹波最为重要的应用技术之一，其通过分析太赫兹波与待测样品相互作用而获得待测样品丰富的物理和化学信息，以其直观性受到科研和工业界普遍关注。

太赫兹波调制器是研究太赫兹波传感与成像必不可少的器件，高效稳定性的太赫兹波调控器件是研究太赫兹科学与技术的基础。由于太赫兹波技术起步较晚，有效的太赫兹波调制器件仍然有待开发。调控太赫兹波的调制机理包括调幅、调频、调相和调偏振。目前对太赫兹波的成熟调控的方式为调幅控制，实现手段包括电控、光控、热控以及非线性控制，通过外界变化量控制调制器某些参数，例如折射率、吸收率等参数的变化，从而控制太赫兹波的透射率或者反射率。

目前已存在的太赫兹波调制器件中，光控半导体(例如硅、锗、砷化镓等)调制器被广泛应用于太赫兹波成像与太赫兹波通信系统中。光控方法是利用泵浦光照射半导体，当光子能量超过半导体禁带宽度时就会产生载流子，从而改变半导体的电导率，继而影响太赫兹波的透过率，实现泵浦光调控太赫兹波的功能。光控方法以其控制速度快，控制精准度高被大家普遍接受。通常，泵浦光可以通过以下方法来调节太赫兹波，即将泵浦光照射到半导体上，产生一个高反射率的临时区域，太赫兹波同时入射在这个高反射率的区域，通过改变泵浦光的通断，使得太赫兹波被调制。Shrekenhamer等利用980nm的连续激光器，输出功率2W，照射本征半导体硅，对太赫兹波实现67％的调制深度(调制深度＝(无光照太赫兹波透过率-光照下太赫兹波透过率)/无光照太赫兹波透过率)；Busch等利用100fs激光器照射本征硅，实现94.8％的调制深度；Born等利用808nm连续激光器，输出功率2.28W，照射本征硅实现对太赫兹波90％的调制深度。但是，为了实现调制器件有效地对太赫兹波调控，获得较高的光生载流子浓度，此类调制器往往需要配有高能激光器进行照明，例如常见的放大的飞秒激光器，这无形增加了整套系统的成本和复杂度，不利于系统的集成，实施起来安全性也得不到保障，操作性得不到认可，已经不能满足太赫兹波成像、传感和通信的集成化需求。

对此，现有技术中提出可以利用二维材料与半导体的异质结效应来提高太赫兹波光控调制器的效率，从而降低光控调制器对光照的要求。Weis等在本征硅上移植单层石墨烯，利用二维石墨烯的高电子迁移率，将硅激发的载流子大部分流向石墨烯，继而实现载流子浓度急剧上升，以此实现高效太赫兹波调制。同样的原理，文歧业等在本征锗上转移单层石墨烯，利用1550nm激光器照明，实现了94％的调制深度；此外，杨东升等提出在本征硅上转移WS2纳米片，在800nm连续激光器，50mW照明下实现56.7％的太赫兹波调制，470mW下94.8％的太赫兹波调制。即便如此，由于二维材料通常是不够稳定的，因此在器件的保存和使用上就会带来很大的问题，而且在器件上制备二维材料也是颇有难度，制作本身成本较高，这些都使得上述制备有二维材料的太赫兹光控调制器很难走出实验室来满足实际的应用。

基于以上现状，在太赫兹波传感与成像技术领域中，显然需要更好的技术方案来解决目前现有光控半导体调制器制作高成本、高复杂度、不易保存等技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明从半导体材料的属性出发，提出一种基于钝化工艺的太赫兹波高效光控调制器。通过钝化工艺，改善半导体器件载流子寿命，使得其调制深度极大提高，同时由于钝化层对器件还具有保护作用，因此使得器件进一步远离外界环境影响，整体具有更好的稳定性。

具体地，本申请提出一种制备太赫兹波光控调制器的方法，选用本征半导体材料，其特征在于制备方法包括对于本征半导体材料的太赫兹波入射面和太赫兹波出射面分别沉积有钝化层；所述沉积操作使用原子层沉积方法、等离子体增强化学的气相沉积法或者低压力化学气相沉积法中的一种；所述钝化层为氧化铝、氮化硅或者氧化硅。

在一个实施例中，使用原子层沉积系统完成所述沉积操作时，所述沉积操作包括如下步骤：

S21、原子层沉积系统自清洁；

S22、原子层沉积系统预热，放置半导体材料；

S23、设置系统参数，所述系统参数包括沉积循环次数；

S24、对半导体材料的太赫兹波入射面或者太赫兹波出射面进行钝化层沉积；

S25、取出、翻面，重复步骤S21-S24；

S26、放入退火炉中，快速退火；

其中，所述步骤S22中，在放置半导体材料之前还包括对半导体材料的非沉积表面的保护操作。所述保护操作优选为将非沉积表面黏上聚酰亚胺膜。可替换地，所述保护操作也可以通过将所述非沉积表面与另一半导体材料表面贴合放置来完成。

进一步优选，所述钝化层经过抗反射处理，所述抗反射处理包括根据使用所述太赫兹波光控调制器时的入射角，选择所述钝化层的最优厚度；所述最优厚度使得所述钝化层的反射率最低。进一步，根据所述最优厚度，确定所述步骤S23中的所述沉积循环次数，从而制备合适厚度的钝化层。

具体地，所述钝化层为氧化铝时，所述步骤S23中，包括设置铝源流动时间8s，氮气清扫时间23s，水源流动时间8s，设置沉积循环次数为1230次。

在步骤S21之前还可以包括清洗流程，以清洁运输过程中的半导体材料；所述清洗流程包括：

S11、使用丙酮清洗半导体材料；

S12、使用超纯水清洗；

S13、使用氢氟酸刻蚀；

S14、取出经过刻蚀的半导体材料，加入超纯水清洗。

优选地，所述步骤S26为在氮气氛围下，400℃快速退火5分钟。

相应地，本申请还提出保护使用上述制备方法制备而得的太赫兹波光控调制器。

与现有技术相比，由于本发明采用了一个全新的手段，即使用钝化工艺来制备太赫兹波光控调制器，从而调制器表面具有钝化层，能够具有更高的光生载流子浓度，如此实现了对太赫兹波光控的高效调制，降低了太赫兹波相关系统对照明的要求和系统的成本，便于系统更加集成，也更加便于用户操作使用。此外，钝化层还能隔绝半导体与空气的接触，防止氧化和污染，因此，钝化工艺的引入还增强了太赫兹波光控调制器的稳定性，提高了调制器的使用寿命。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明钝化工艺氧化铝薄膜制备流程示意图；

图2单层抗反射薄膜示意图；

图3反射率和最低反射薄膜厚度随着入射角度的变化示意图；

图4固定入射角度薄膜最优厚度选择示意图；

图5增强成像实验示意图；

图6成像实施方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

太赫兹波光控调制器的基本工作原理是利用泵浦光照射半导体，当光子能量超过半导体禁带宽度时，半导体就能产生光生载流子，载流子的浓度会改变半导体的电导率。太赫兹波是一种电磁波，本征硅(或锗)等半导体材料对太赫兹波来说是可透过的。但是，如果光生载流子浓度提高则会增加半导体的电导率，从而影响太赫兹波的透过率，太赫兹波的透过率随着载流子浓度的增加而减少。根据公式

其中，n为折射率3.418，透过率T与电导率

成反比，Z₀＝377Ω，d是半导体厚度，f是频率，m是相对质量，ε₀是真空介电常数，e是电荷量。载流子浓度N正比于电导率

因此，电导率越大载流子浓度越大，太赫兹波的透过率越低。光生载流子浓度还取决于温度、光照、半导体材料等。在器件本身不变，并且环境温度不变的情况下，改变光照强度能够直接改变载流子浓度，根据公式

式中，A为照明区域大小，R为反射率，hυ为光子能量，d为器件厚度，τ为载流子寿命(光生载流子从产生到复合的平均时间)。载流子浓度N与光照强度I成正比，这也是传统光控调制器使用高功率激光照明实现高调制深度的原因。但是，除了照明条件，半导体材料本身的某些参数也会决定载流子的浓度，例如载流子寿命τ。载流子浓度N和其寿命τ也是成正比关系。载流子寿命包括半导体体寿命、表面寿命和饿歇寿命,

由于在太赫兹波段，低阻对太赫兹波有衰减，因而往往使用高阻的本征半导体。而对于本征半导体材料来说，由于体缺陷少，载流子体寿命非常大，而且晶格也相对稳定，饿歇寿命也不用考虑，因此，在考虑公式(2)中的载流子寿命时只需要考虑公式(3)中的表面寿命。在调制器的载流子寿命主要取决于表面寿命的情况下，影响载流子寿命(即影响表面寿命)最大的因素还是表面缺陷，而表面缺陷通常包括表面附着的杂质，表面的氧化物牺牲层等。由于表面缺陷的存在，引入了缺陷能级，生成的载流子会被缺陷大量复合，从而导致载流子寿命降低。因此，如果能够改善表面缺陷，将能够使载流子寿命维持在较大值，从而能够获得更高的载流子浓度，这对太赫兹波调制器来说将是非常有利的。

钝化工艺最早是被用在金属上，利用金属氧化物将活化金属进行保护防止腐蚀。随后，该工艺也被用于太阳能电池加工防导电绝缘层的制备以及半导体领域的封装中。在硅片等半导体器件中，钝化工艺能够改善表面缺陷以及防护半导体不被外界氧化，这些特性恰巧能够帮助提升太赫兹光控调制器的性能。钝化工艺中，可以利用原子层沉积系统(Atomic layer deposition,ALD)、等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)或者低压力化学气相沉积法(Low PressureChemical Vapor Deposition，LPCVD)在半导体材料沉积钝化层，例如沉积氧化铝膜(Al₂O₃)、氮化硅或者氧化硅。沉积的钝化层具有膜致密、均匀度好的特性，因而能够被广泛用于半导体材料。基于钝化工艺的上述特点，本发明提出一种基于钝化工艺生长钝化膜的太赫兹波光控调制器，其中，在本征半导体材料上，利用原子层沉积系统(ALD)、等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)或者低压力化学气相沉积法(LPCVD)沉积钝化层，例如沉积氧化铝膜(Al₂O₃)、氮化硅或者氧化硅，从而改善本征半导体材料的表面缺陷，获得更高的载流子浓度，以降低太赫兹波调制器对光照的要求。

实施例一调制器沉积氧化铝膜制作工艺

本实施例中使用<100>晶向的n型双抛本征硅片，其电阻率为10000Ω·cm，厚度为100μm。采用热ALD系统，以三甲基铝和水作为反应源，氩气作为载气，氮气清洗气体。在250℃进行样品沉积。钝化的反应原理为：2Al(CH₃)₃+3H₂O→Al₂O₃+6CH₄。之后，采用快速退火炉对制作的器件在氮气氛围中400℃退火5分钟。调制器具体的制作工艺流程参见说明书附图1所示，主要包括两部分，分别为硅片清洗流程，以及氧化铝薄膜沉积流程(硅片钝化)。

硅片在运输与保存过程中总会引入污染物，为不影响器件整体性能需要对硅片进行清洗。首先在步骤S11中加入适量的丙酮溶液进行超声清洗，该步骤是为了去除表面的有机物；之后步骤S12纯水超声清洗清除多余的丙酮溶液；接着步骤S13用氢氟酸清洗，消除硅片表面的氧化层，使得硅片表面形成硅-氢键；最后步骤S14纯水超声清洗，去除多余氢氟酸废液。优选地，步骤S11、S12和S14中的超声清洗水浴5分钟。步骤S13中的氢氟酸浓度为40％，刻蚀10分钟。

完成上述硅片清洗流程之后，将清洗好的硅片放入ALD设备中进行沉积，完成氧化铝薄膜沉积流程。由于本发明是要将硅片的表面缺陷进行改善，因此对于一般制作调制器的硅片来说，需要将硅片的两面都要进行处理，否则只处理一面的话，另一面的表面缺陷还是会影响载流子的浓度。但是由于ALD一次沉积只能处理一面，因此在对一面进行沉积的过程中，需要防止非沉积的一面受到污染。本实施例中选择利用高温聚酰亚胺薄膜对非沉积的一面进行保护。在放入设备前，用聚酰亚胺薄膜覆盖保护一面，然后放入ALD设备对另一面进行钝化沉积，当该面沉积完成后，取出硅片，揭开聚酰亚胺薄膜，将刚沉积完氧化铝的一面涂覆聚酰亚胺进行保护，再次放入ALD设备中，沉积还未沉积的另外一面。可替换地，还可以使用另一硅片完成上述保护非沉积面的功能。具体将硅片放置在另一块硅片上，因而两个硅片接触的面将被保护起来，处理完一面后将已经沉积一层钝化层的硅片翻面再次置于另一硅片上，从而在下一沉积过程中保护已经沉积好的钝化层。

具体氧化铝薄膜沉积流程包括步骤S21的ALD设备自清洁，打开机械泵，抽真空，打开氮气气阀，设置清洗时间120s；清洁完成后，在步骤S22中放入一面被黏上聚酰亚胺膜的硅片，贴膜的一面朝向反应炉底，设置反应炉基底温度250℃，铝源温度90℃，打开水循环保护机器，等待一段时间观察各部分温度情况以完成预热操作；接着在步骤S23中，设置铝源流动时间8s，氮气清扫时间23s，水源流动时间8s，氮气清扫时间23s；设置循环次数1230次；参数设置完成后，步骤S24打开铝源和水源机械阀，设置氩气和氮气流速，运行启动开始沉积。沉积一面完成后执行步骤S25开腔，取出硅片，撕下聚酰亚胺薄膜，将硅片翻过来，重新S21-S24的步骤，从而完成硅片另一面的沉积。最后，步骤S26在两面沉积完成后取出硅片放入退火炉中，氮气氛围400℃快速退火5分钟。

为了高效利用照明光子能量，进一步将沉积的氧化铝薄膜作为抗反膜，减少对照明光的反射效应，从而进一步增加载流子浓度。单层抗反射膜的设计原理如图2所示，设计薄膜适用的照明光源波长为λ，空气、氧化铝以及硅片对应的折射率分别是n₀、n₁、n₂，根据斯涅耳定理，可以计算出界面的反射系数r₁、r₂，两个表面出射光的相位差为

因此可以计算出反射率R随薄膜厚度h的变化公式。

理论中，光子能量超过半导体禁带宽度都能激发光生载流子。在硅片中，禁带宽度为1.12eV，波长小于1100nm的光源都能激发载流子。在太赫兹波的调制过程中，照明光源一般选用红外光源808nm，以激发载流子。在该照明情况下，空气、氧化铝以及硅片的折射率分别是1、1.76以及3.68。利用Matlab仿真计算不同入射角度下反射率的变化趋势如图3所示，其中X轴为入射角度，Y轴为反射率和最优薄膜厚度。左侧下方的曲线显示，随着入射角度变大，反射率逐渐变大，而此时不同入射角度下都会对应最优薄膜厚度(图3左侧上方的曲线)，随着入射角度变大，其最优厚度从125nm逐渐增加。当入射角度超过80度，薄膜的影响几乎可以忽略，也就不用谈及薄膜最优厚度了。在图3中，当入射角度小于60度，反射率都会小于约5％，此时对应薄膜厚度小于约134nm左右。

如果固定入射角度，例如40度，如图4所示，可以求出反射率最低点时的薄膜厚度为123nm，此时的反射率仅为1％左右。由于ALD每次沉积厚度为0.1nm，所以在沉积流程中，步骤S23的沉积循环次数在本实施例中设置为1230次，从而获得薄膜厚度为123nm的氧化铝钝化膜。如此制备获得的光控调制器在入射光为808nm，入射角度40度时，该厚度的Al₂O₃薄膜的反射率低于1％，达到抗反射效果。由于使用808nm的光照明硅片一般会有30％的反射损失，因此如果按照本实施例增加抗反设计，至少节省上述30％的能量，如此，例如原来需要输出功率为3W的激光，按照本实施例的方案则可以替代为输出功率为2W的LED，这将使得系统的成本进一步降低。

实施例二基于调制的太赫兹波增强成像

说明书附图5为利用钝化后的太赫兹波光控调制器实现太赫兹单像素增强成像的实施例示意图。成像目标10如图5所示附在太赫兹波光控调制器1背后，800nm飞秒激光经过分束器2分成两束光，一束光进入发射端3产生太赫兹波，另一束光经过延迟线4照射在接收端5。产生的太赫兹光经过离散抛物面镜61准直照射本发明的太赫兹波光控调制器1，透射的太赫兹波经过离散抛物面镜62聚焦在接收端5，太赫兹波与飞秒光相干后得到透射后的太赫兹光场。通过扫描延迟线4可以得到透过所述太赫兹波光控调制器1的太赫兹时域信号。

将连续光准直后照射在所述太赫兹波光控调制器1上，让太赫兹波和连续激光照射在调制器相同区域，通过控制连续激光的通断实现对太赫兹波透过率的强弱调控。将808nm激光器用数字微镜阵列7(Digital Mirrors Device，DMD)调制，从而在太赫兹波光控调制器1表面形成空间分布的掩膜，因为光照区域对太赫兹波能够阻挡，因此DMD上的编码掩膜间接调制了太赫兹波信号。利用先进的单像素成像算法，例如压缩感知，计算成像等，通过投影掩膜和测量值，解调太赫兹波的目标场强。根据成像基本公式Y＝ΦX，其中待成像目标的矩阵表达为X，测量值Y，Φ为测量矩阵(对应掩膜)，为得到X的解调，Φ设定为具有抗噪声能力正交矩阵，所以目标图像X＝Φ′Y。满足该条件的测量矩阵包括哈达玛矩阵、伯努利矩阵、傅里叶矩阵等等。成像的实施方法参见说明书附图6所示，具体包括如下步骤。步骤S31将待成像目标放置于太赫兹波光控调制器背面，待成像目标表达为X，随所述光控调制器放入光路中；步骤S32利用延迟线，找到太赫兹波透过样品的最大信号处；步骤S33，制作N²×N²的哈达玛矩阵(或者伯努利矩阵等)，其中示例性的N＝64，取出每一行，整形得到N×N掩膜图案，将图案投影到所述太赫兹波光控调制器上，利用探测器读出调制太赫兹波强度Y；步骤S34利用公式X＝Φ′Y解调得到目标的太赫兹波图像。

因此，相比于现有技术中的单像素成像，本实施例基于钝化工艺光控调制器的成像系统优势在于能够在低照明要求下增强成像图像的对比度，在相同功率照明下，本实施例能够得到更加清晰的图像。

综上所述，本发明基于钝化工艺能够改善硅片载流子寿命，提高光生载流子的浓度，将该工艺用于制作太赫兹波光控调制器，实现对太赫兹波光控的高效调制。如此降低了太赫兹波相关系统对照明的要求和成本，便于系统更加集成和用户的操作。此外，钝化层能隔绝半导体与空气的接触，防止氧化和污染，增强了太赫兹波光控调制器的稳定性，提高了调制器的使用寿命，为走出实验室进行广泛应用提供了先决条件。

上面所述的只是说明本发明的一种太赫兹波光控调制器的实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明的调制器局限在所示和所述的具体结构范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同替换，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (7)

1.一种制备太赫兹波光控调制器的方法，选用本征半导体材料，其特征在于包括如下步骤：

对于本征半导体材料的太赫兹波入射面和太赫兹波出射面分别沉积有钝化层；

所述沉积操作使用原子层沉积方法、等离子体增强化学的气相沉积法或者低压力化学气相沉积法中的一种；

所述钝化层为氧化铝、氮化硅或者氧化硅；

使用原子层沉积系统完成所述沉积操作时，所述沉积操作包括如下步骤：

S21、原子层沉积系统自清洁；

S22、原子层沉积系统预热，放置半导体材料；

S23、设置系统参数，所述系统参数包括沉积循环次数；

S24、对半导体材料的太赫兹波入射面或者太赫兹波出射面进行钝化层沉积；

S25、取出、翻面，重复步骤S21-S24；

S26、放入退火炉中，快速退火；

其中，所述步骤S22中，在放置半导体材料之前还包括对半导体材料的非沉积表面的保护操作；

所述钝化层经过抗反射处理，所述抗反射处理包括根据使用所述太赫兹波光控调制器时的入射角，选择所述钝化层的最优厚度；所述最优厚度使得所述钝化层的反射率最低；

根据所述最优厚度，确定所述步骤S23中的所述沉积循环次数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护操作为将非沉积表面黏上聚酰亚胺膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护操作通过将所述非沉积表面与另一半导体材料表面贴合放置来完成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钝化层为氧化铝时，所述步骤S23中，包括设置铝源流动时间8s，氮气清扫时间23s，水源流动时间8s，设置沉积循环次数为1230次。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤S21之前还包括清洗流程；所述清洗流程包括：

S11、使用丙酮清洗半导体材料；

S12、使用超纯水清洗；

S13、使用氢氟酸刻蚀；

S14、取出经过刻蚀的半导体材料，加入超纯水清洗。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S26为在氮气氛围下，400℃快速退火5分钟。

7.使用权利要求1-6任意一项所述方法制备而得的太赫兹波光控调制器。

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