CN111522152A - 基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及方法 - Google Patents

基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹功能器件领域，具体提供了一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及制备方法和测试方法，包括硅衬底、多棱台阵列、棱台上表面的钝化层。本发明中，多棱台阵列能减少激光反射率，提高对激光的利用率；多棱台阵列不会增加光生载流子的横向扩散距离，不会因此而影响太赫兹成像的对比度和分辨率；且能增加对太赫兹波的调控面积。钝化层不但能增加硅基全光控太赫兹调制器内部的载流子寿命，而且还能进一步降低激光反射率，明显地提升太赫兹波的调制效果，其调制深度可达91.2％。该全光控太赫兹调制器在低激光功率下拥有高调制深度，且成本低廉，制作简单。

Description

基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及方法
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，涉及太赫兹成像和通信相关领域中的太赫兹幅度调制器，具体为一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波，波长在3mm-30μm之间。太赫兹波由于具有低能量性、好的相干性、宽带性等许多优良的特性，在无线通信、安检、无损探测、医学成像等方面有着广阔的应用前景。在这些应用中，太赫兹调控技术起着至关重要的作用，在现有的太赫兹调制器件当中，硅基太赫兹调制器由于其制造技术与现有的CMOS工艺兼容，便于制造、集成，是当前太赫兹调控技术研究的热点。
2013年，首都师范大学的张岩教授利用激光泵浦作用本征硅材料，实现了全光控太赫兹波空间调制器。这种空间型调制器可以实现太赫兹波前幅度和相位信息的调制，因此可以用于对太赫兹波束的偏转、聚焦、分束等多种功能。然而，光泵浦半导体硅构成的硅基太赫兹空间调制器虽然具有宽带特性，但是其调制深度较低，一般在50％以内。而且硅片对泵浦激光的反射率较大，对波长在400-1000nm范围内的激光反射率高达40％-60％。较低的激光利用率不但降低了器件的调制深度，反射的激光也会对应用系统带来干扰和噪声。最近的研究表明，在硅片上覆盖特定的薄膜材料，其构成的复合结构可以显著提高太赫兹波的调制深度，这些材料包括石墨烯、MoS2、CuPc、PVA等等。这些复合结构提高太赫兹波调制深度的原因主要在于薄膜与硅片相作用形成PN结。在光注入条件下，这种硅片-薄膜复合结构使得硅片中产生的电子和空穴经电荷转移过程分别在硅片-薄膜界面处积累，通过降低载流子的复合过程来提高载流子寿命，从而大大提高器件内的有效载流子浓度。但是，这种复合结构并不能有效解决硅基光控太赫兹调制器中泵浦激光利用效率低的问题。同时，这些复合结构在提高载流子寿命的同时，也增加了光生载流子的横向扩散距离，应用于太赫兹波成像时会影响成像的对比度和分辨率。此外，额外异质材料的引入，也增加了薄膜制备的难度，并导致与现有硅基CMOS工艺的不兼容。
目前，以太赫兹波成像技术为代表的太赫兹应用系统急需具有低的激光反射率，大的太赫兹波调制深度，良好的太赫兹成像对比度和分辨率、且与现有CMOS工艺兼容的全光控太赫兹调制器件，但目前尚未见这类器件的相关报道。
发明内容
本发明提供了一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，获得了大的太赫兹波调制深度，优良的太赫兹成像对比度和分辨率，同时有效解决了降低泵浦激光反射的问题，且与CMOS工艺兼容，制造方法简单，成本低廉。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，包括衬底硅、硅表面分布着多棱台阵列，棱台上表面为钝化层。
作为优选方式，钝化层为热氧化二氧化硅薄膜钝化层。
作为优选方式，所述衬底采用高阻硅或者本征硅，电阻率>1000Ω*cm，厚度100-500um。
作为优选方式，多棱台阵列包括周期性排列的若干棱台，棱台具有N条棱，N≥4，每个棱台的上表面在底部的投影位于底部的中心。
作为优选方式，所述多棱台阵列的底面边长和棱长大小为微米量级，多棱台阵列由硅片通过化学方法刻蚀形成。
作为优选方式，所述钝化层为一层厚度50-300nm的SiO2薄膜。
作为优选方式，所述全光控太赫兹波调制器具有降低激光反射率的作用，对400-1000nm范围内的激光的反射率在16％-20％之间。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述全光控太赫兹波调制器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将电阻率>1000Ω*cm、厚度100-500um的高阻硅基片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗12-18分钟，然后利用高压氮气吹干；
步骤二：利用高温热氧化炉在硅片表面氧化生长一层50-300nm厚的SiO2薄膜，再利用光刻工艺在SiO2表面制备光刻胶掩膜，然后利用反应离子刻蚀来刻蚀掉没有光刻胶保护的SiO2层，然后再利用丙酮洗去光刻胶，就在硅衬底上制备出了SiO2掩膜；
步骤三：将步骤二中的具有SiO2掩膜的硅片放入配置好的包含KOH、去离子水、异丙醇的腐蚀液中，腐蚀液的配方为KOH固体3g、异丙醇15mL、去离子水50mL，水浴加热浸泡10-20分钟，控制水浴温度为80-90℃；
步骤四：利用去离子水清洗腐蚀后的硅片，并用高压氮气吹干，即制造形成了基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述上述全光控太赫兹波调制器的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：打开太赫兹时域光谱测试设备以及控制软件，等待设备的太赫兹时域光谱峰峰值稳定；
步骤二：调整太赫兹波发射器的位置，使其与样品架的位置对准，并保存此时的太赫兹时域光谱数据作为参考数据；将需要测试的样品放置在样品架上，并将泵浦激光对准样品，按预先设定好的功率值调节激光器功率并保存在各激光功率下的相应的太赫兹时域光谱数据；
步骤三：通过快速傅里叶变换将太赫兹时域光谱数据转换为频域光谱和太赫兹透射谱。
本发明提供的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其核心为具有硅衬底表面的多棱台结构和棱台上表面的钝化层，以此达到提高太赫兹波调制深度的效果。从原理上来讲，当泵浦激光作用硅片时，硅内部的电子受到激发而跃迁，在内部产生电子—空穴对，能够吸收太赫兹波；随着泵浦激光功率的提高，光生载流子对太赫兹波吸收增强，故调节泵浦激光功率即可实现调控太赫兹波幅度。而本发明提供的太赫兹波调制器中的多棱台阵列结构一方面可有效地减少泵浦激光的反射，且不会增加光生载流子的横向扩散距离，不会因此而影响太赫兹成像对比度和分辨率，另一方面可以增加对太赫兹波的调控面积；棱台上表面的钝化层一方面可以抑制少数载流子的复合，提高少数载流子寿命，另一方面可以进一步地减少对泵浦激光的反射。基于此，在相同激光功率下，本发明提供的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器具有更大的调制深度，且能提高太赫兹波成像对比度和分辨率。
综上，本发明的发明效果在于：
1、本发明提出的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器能有效地减少激光的反射，对400-1000nm范围内的激光的反射率在16％-20％之间。
2、本发明通过表面钝化的方式，有效地抑制了载流子的复合，提高载流子的寿命，提高了太赫兹波调制深度。
3、硅衬底表面的多棱台阵列不会增加光生载流子的横向扩散距离，不会因此而影响太赫兹成像对比度和分辨率。
4、本发明提出的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器结构简单，制造成本低，且与现有的CMOS工艺兼容，适合大规模工业生产。
附图说明
图1是本发明基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的结构示意图；
图2是本发明实施例中基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的形貌扫描电子显微镜图。
图3是本发明实施例中高阻硅、不含钝化层的多棱台阵列和本发明含有钝化层的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的紫外-可将光-近红外光谱测试曲线图，其中，BaSO4的反射曲线作为参考。
图4是本发明实施例中高阻硅的太赫兹时域谱随激光功率的变化图。
图5是本发明实施例中多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的太赫兹时域谱随激光功率的变化曲线。
图6是本发明实施例中高阻硅的太赫兹透射谱随激光功率的变化曲线。
图7是本发明实施例中多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的太赫兹透射谱随激光功率的变化曲线。
图8是本发明实施例中高阻硅、多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的太赫兹波调制深度随激光功率的变化曲线。
图9是本实施例中多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的棱台与棱台之间沟槽内的的少数载流子寿命测试曲线。
图10是本实施例中多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的棱台上表面的少数载流子寿命测试曲线。
图11是本发明实施例中高阻硅的太赫兹波成像图。
图12是本发明实施例中多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的太赫兹波成像图。
其中，1为硅衬底，2为多棱台阵列，3为棱台上表面的钝化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，包括衬底硅、硅表面分布着多棱台阵列，棱台上表面为钝化层。
所述衬底采用高阻硅或者本征硅，电阻率>1000Ω*cm，厚度100-500um。
所述多棱台阵列是周期性的，棱台结构具有N条棱(N≥4)，每个棱台的上表面在底部的投影位于底部的中心。
所述多棱台阵列的底面边长和棱长大小为微米量级，多棱台阵列由硅片通过化学方法刻蚀形成。
所述钝化层为一层厚度50-300nm的SiO2薄膜。
所述全光控太赫兹波调制器具有降低激光反射率的作用，对400-1000nm范围内的激光的反射率在16％-20％之间。
本实施例还提供一种上述全光控太赫兹波调制器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将电阻率>1000Ω*cm、厚度100-500um的高阻硅基片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗12-18分钟，然后利用高压氮气吹干；
步骤二：利用高温热氧化炉在硅片表面氧化生长一层50-300nm厚的SiO2薄膜，再利用光刻工艺在SiO2表面制备光刻胶掩膜，然后利用反应离子刻蚀来刻蚀掉没有光刻胶保护的SiO2层，然后再利用丙酮洗去光刻胶，就在硅衬底上制备出了SiO2掩膜；
步骤三：将步骤二中的具有SiO2掩膜的硅片放入配置好的包含KOH、去离子水、异丙醇的腐蚀液中，腐蚀液的配方为KOH固体3g、异丙醇15mL、去离子水50mL，水浴加热浸泡10-20分钟，控制水浴温度为80-90℃；
步骤四：利用去离子水清洗腐蚀后的硅片，并用高压氮气吹干，即制造形成了基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器。
本实施例还提供一种所述上述全光控太赫兹波调制器的测试方法，包括如下步骤：
步骤一：打开太赫兹时域光谱测试设备以及控制软件，等待设备的太赫兹时域光谱峰峰值稳定；
步骤二：调整太赫兹波发射器的位置，使其与样品架的位置对准，并保存此时的太赫兹时域光谱数据作为参考数据；将需要测试的样品放置在样品架上，并将泵浦激光对准样品，按预先设定好的功率值调节激光器功率并保存在各激光功率下的相应的太赫兹时域光谱数据；
步骤三：通过快速傅里叶变换将太赫兹时域光谱数据转换为频域光谱和太赫兹透射谱。
图3所示为本实施例所使用的高阻硅片、不含钝化层的多棱台阵列和本发明含有钝化层的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的紫外-可将光-红外光谱测试曲线(以BaSO4为全反射参考)。从图中可以看出，在波长400-1000nm范围之内，硅的反射率明显高于不含钝化层的多棱台阵列和本发明含有钝化层的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，约为54％，而不含钝化层的多棱台阵列和本发明含有钝化层的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的反射率分别在25％和18％左右。这表明多棱台阵列结构能明显地降低激光反射，棱台上表面的SiO2钝化层也能进一步降低激光反射。
图4所示为与本实施例同一批次的高阻硅片在808nm的泵浦激光作用下的太赫兹波时域谱。从图中可以看出，随着激光功率密度的增加，硅片的太赫兹波幅度逐渐减小，这表明光控高阻硅片对太赫兹波有一定的调制作用。
图5所示为本实施例中的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器在808nm的泵浦激光作用下的太赫兹波时域谱。从图中可以看出，随着激光功率密度的增加，太赫兹波幅度逐渐减小，这种减小幅度比硅片更加明显，尤其是在激光功率密度较低的情况下(0.09W/cm2,0.18W/cm2)。当激光功率达到0.53W/cm2时，太赫兹波幅度已经极低了，几乎将太赫兹波关断。对比图4和图5可以看出，多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器对太赫兹波的调制效果显著。
图6所示为与本实施例中同一批次的高阻硅片在808nm的泵浦激光作用下的透射谱。从图中可以看出，在没有激光泵浦作用时，硅片的太赫兹透射率在70％左右；随着激光功率密度的增加，太赫兹透射率逐渐降低，在0.53W/cm2时，太赫兹波透射率在29％左右。
图7所示为本实施例中的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器在808nm的泵浦激光作用下的透射谱。从图中可以看出，在没有激光泵浦作用时，太赫兹透射率在70％左右；随着激光功率密度的增加，太赫兹透射率逐渐降低，降低程度比高阻硅片明显。在0.09W/cm2时，太赫兹透射率在40％左右，对比图6的高阻硅片则在59％左右。在0.18W/cm2时，太赫兹透射率在25％左右，对比图6的高阻硅片则在50％左右。这说明，多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器对激光利用率更高，能在较低激光功率密度下实现对太赫兹波的大幅度调制。在0.53W/cm2时，该光控太赫兹波调制器的太赫兹波透射率在6％左右，几乎关断太赫兹波。
图8所示为本实施例在泵浦激光为808nm时，高阻硅片和多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的平均太赫兹波调制深度随激光功率密度的变化曲线。随着泵浦激光功率密度的增加，高阻硅、多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的调制深度均会增加。在激光功率密度为0.09W/cm2时，硅的平均THz调制深度为15.5％，多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的平均THz调制深度则为41.3％。这种低激光功率密度下的高调制深度，表明多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的调制效果很好，这对于光控THz设备来说是至关重要的。当泵浦激光功率密度达到0.53W/cm2时，硅的平均THz波调制深度仅为59.3％，这对于光控太赫兹波调制器来说是远远不够的，而多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的平均THz调制深度为91.2％。
图9所示为本实施例中的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的棱台与棱台之间的沟槽内的少数载流子寿命测试曲线，少数载流子的寿命值为39.17us，与硅的少数载流子寿命大致相当。
图10所示为本实施例中的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的上棱台表面的少数载流子寿命测试曲线，少数载流子的寿命值为152.29us。相比于图9，可以看出棱台上表面的少数载流子寿命比棱台之间的沟槽内的少数载流子寿命有了明显的提高，这是由于棱台上表面的SiO2钝化层提升了少数载流子寿命。当有激光泵浦作用于该调制器时，只有棱台上表面有钝化层，而棱台与棱台之间的上表面并未直接接触，光生载流子的横向扩散只能限于棱台上表面，并不会额外增加光生载流子的横向扩散距离；而其他地方并无钝化层，这些位置的光生载流子的横向扩散距离与硅的大致相当。
图11所示为与本实施例同一批次的高阻硅片作为太赫兹波调制器用于太赫兹波成像的图片，成像物体为具有中间镂空“十字架”形状的金属板。从图中可以大致看出成像物体的十字架轮廓，但成像对比度和分辨率不高，成像效果不好。
图12所示为本实施例中的多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器用于太赫兹成像时的图片，成像物体为具有中间镂空“十字架”形状的金属板。从图中可以较为明显地看出成像物体的十字架形状，相比于图11，成像对比度和分辨率有了较大的提高，成像效果有了明显地提升，能看出成像物体的十字架形状。这是由于基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器的太赫兹调制深度有了明显地提高，且不会影响光生载流子的横向扩散距离，提高了成像对比度和分辨率。

Claims (9)

1.一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：包括衬底硅、硅表面分布着多棱台阵列，棱台上表面为钝化层。
2.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：钝化层为热氧化二氧化硅薄膜钝化层。
3.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：所述衬底采用高阻硅或者本征硅，电阻率>1000Ω*cm，厚度100-500um。
4.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：多棱台阵列包括周期性排列的若干棱台，棱台具有N条棱，N≥4，每个棱台的上表面在底部的投影位于底部的中心。
5.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：所述多棱台阵列的底面边长和棱长大小为微米量级，多棱台阵列由硅片通过化学方法刻蚀形成。
6.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：所述钝化层为一层厚度50-300nm的SiO2薄膜。
7.按权利要求1所述的基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，其特征在于：所述全光控太赫兹波调制器对400-1000nm范围内的激光的反射率在16％-20％之间。
8.权利要求1至7任意一项所述全光控太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将电阻率>1000Ω*cm、厚度100-500um的高阻硅基片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗12-18分钟，然后利用高压氮气吹干；
步骤二：利用高温热氧化炉在硅片表面氧化生长一层50-300nm厚的SiO2薄膜，再利用光刻工艺在SiO2表面制备光刻胶掩膜，然后利用反应离子刻蚀来刻蚀掉没有光刻胶保护的SiO2层，然后再利用丙酮洗去光刻胶，就在硅衬底上制备出了SiO2掩膜；
步骤三：将步骤二中的具有SiO2掩膜的硅片放入配置好的包含KOH、去离子水、异丙醇的腐蚀液中，腐蚀液的配方为KOH固体3g、异丙醇15mL、去离子水50mL，水浴加热浸泡10-20分钟，控制水浴温度为80-90℃；
步骤四：利用去离子水清洗腐蚀后的硅片，并用高压氮气吹干，即制造形成了基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器。
9.权利要求1至7任意一项所述上述光控太赫兹波调制器的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：打开太赫兹时域光谱测试设备以及控制软件，等待设备的太赫兹时域光谱峰峰值稳定；
步骤二：调整太赫兹波发射器的位置，使其与样品架的位置对准，并保存此时的太赫兹时域光谱数据作为参考数据；将需要测试的样品放置在样品架上，并将泵浦激光对准样品，按预先设定好的功率值调节激光器功率并保存在各激光功率下的相应的太赫兹时域光谱数据；
步骤三：通过快速傅里叶变换将太赫兹时域光谱数据转换为频域光谱和太赫兹透射谱。
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