CN112787203A - 一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件，由下向上依次为硅衬底(1)，金属粘附层(2)、金属层(3)，金属层(3)包括正电极(4)和负电极(5)形成插指电极。硅衬底选用N型高阻硅，金属层包括插指电极(及超构材料结构)，选用铝、金或铂金等高电导率材料。还提供一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件的制备工艺，具体步骤如下：在硅衬底上沉积金属粘附层及金属层薄膜；利用光刻、刻蚀工艺将金属薄膜形成插指电极及超构材料结构。本发明提供的透射型硅基电可调太赫兹动态器件及其制备方法，通过金属插指电极在N型高阻硅表面施加不同大小的偏置电流，实现非平衡载流子层厚度与电导率的双重调控，进而实现超构材料谐振开关的完全切换以及太赫兹透射幅值的深度调制。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹动态器件领域，具体涉及一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件及其制备方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz)波在电磁波谱中位于微波与红外之间，频率范围为0.1-10THz。THz波段是电子学到光子学过渡的一个重要区域，不能简单地依靠微波或光子理论进行解释，需要将二者结合进行研究。近年来，随着THz波产生与探测技术的不断发展，使得THz宽带且稳定的输出得以实现，越来越多的科研工作者投身到THz领域，使得THz波的相关研究逐渐成为电磁波领域的研究热点。
为了实现对THz波的有效调控，人们将新型材料和人工超材料相结合，设计出一系列的THz功能器件。目前已有大量专利以及文献报道石墨烯、过硫化物、黑磷、碘化银等材料可通过电压或激光控制改变材料自身电导率，进而实现对太赫兹透射波的有效调控。
然而，现有技术中的太赫兹动态器件的设计多基于新型二维或薄膜材料，制备工艺较为复杂且器件的稳定性较差，成本相对较高。并且，由于在硅基半导体工艺的基础上引入新型材料，不利于未来太赫兹动态器件的CMOS硅基集成化设计与制造。
发明内容
为克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，其由下向上依次为硅衬底1，金属粘附层2、金属层3，其中金属层3包括正电极4和负电极5形成插指电极；电源6的位置根据需要确定；其中
硅衬底1为N型高阻硅片；
金属层3所包含的正电极4、负电极5均为处于相同金属层的插指电极；正电极4包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；负电极5包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；正电极4的主电极和负电极5的主电极彼此相对且相互平行，正电极4的多根插指电极和负电极5的多根插指电极相互插入且全部相互平行，最终形成从左至右依次为：正电极4的第一根插指电极、负电极5的第一根插指电极、正电极4的第二根插指电极、负电极5的第二根插指电极...交错布置的顺序，最后一根插指电极为正电极4的第N根插指电极或负电极5的第N根插指电极；
金属粘附层2的形状和金属层3在水平面上投影的形状完全相同，金属粘附层2和金属层3在水平面上的投影完全重叠；金属粘附层2用于粘合硅衬底1和金属层3；
电源6的正、负输出端分别连接正电极4、负电极5。
在本发明的一个实施例中，硅衬底1厚度为1-2mm，阻值大于1000Ω/cm。
在本发明的另一个实施例中，金属粘附层2厚度为5-20nm。
在本发明的一个具体实施例中，金属粘附层2厚度为10nm，材料为金属钛或铬。
在本发明的又一个实施例中，金属层3厚度为150-300nm；金属层3线宽a为5-20μm，线间距b为30-100μm。
在本发明的又一个具体实施例中，金属层3的材料为高电导率材料，厚度为200nm；金属层3线宽a为15μm，线间距b为50μm。
还提供另一种包含插指电极与非对称开口谐振环的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件，其特征在于，其由下向上依次为硅衬底1，金属粘附层2、金属层3；其中金属层3包括正电极4和负电极5形成插指电极，还包括在相邻插指电极之间的非对称开口谐振环，全部谐振环形成谐振环阵列7；电源6的位置根据需要确定；其中
硅衬底1为N型高阻硅片；
金属层3所包含的正电极4、负电极5均为处于相同金属层的插指电极；正电极4包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；负电极5包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；正电极4的主电极和负电极5的主电极彼此相对且相互平行，正电极4的多根插指电极和负电极5的多根插指电极相互插入且全部相互平行，最终形成从左至右依次为：正电极4的第一根插指电极、负电极5的第一根插指电极、正电极4的第二根插指电极、负电极5的第二根插指电极...交错布置的顺序，最后一根插指电极为正电极4的第N根插指电极或负电极5的第N根插指电极；
金属粘附层2的形状和金属层3在水平面上投影的形状完全相同，金属粘附层2和金属层3在水平面上的投影完全重叠；金属粘附层2用于粘合硅衬底1和金属层3；
电源6的正、负输出端分别连接正电极4、负电极5；其中
就单个谐振环而言，其形状为超构材料形状。
在本发明的一个实施例中，单个谐振环是带有两个非对称缺口的圆环形，也就是说，非对称开口谐振环包括一个长边和一个短边，长边和短边均为弧形边；对于每个谐振环而言，其与邻近的插指电极均存在一定间隔，同一行中的谐振环与同一个插指电极间距相同；并且，谐振环金属部分的剖视图也包括金属粘附层2和金属层3；金属粘附层2附着于硅衬底1上表面，用于粘合硅衬底1和金属层3；金属粘附层2和金属层3在水平面上的投影完全相同；谐振环的金属粘附层2和金属层3的宽度根据实际需要确定。
在本发明的一个具体实施例中，长边对应的圆心角为170°，短边对应的圆心角为150°，其余40°为两个缺口对应的圆心角之和。
另外，提供一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
S1，利用化学物理方法清洗硅衬底1，保证硅衬底1表面没有灰尘颗粒污染；
S2，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在硅衬底1上沉积金属粘附层2；
S3，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在金属粘附层2上沉积金属层3；
S4，利用干法或湿法刻蚀技术，在金属粘附层2及金属层3上进行插指电极的图形化处理；具体方法为金属刻蚀；刻蚀深度为金属粘附层2与金属层3的厚度之和。
本发明借助于插指电极施加直流偏置电流，对载流子层深度与电导率进行双重调控，进而实现超构材料谐振开关的完全切换以及太赫兹透射幅值的深度调制。其他太赫兹动态器件仅仅改变载流子层电导率而不改变厚度实现动态调控。本发明的太赫兹动态器件通过增加偏置电流为1500mA，硅载流子层的厚度与电导率可以实现0-250微米，0-250S/m的连续动态调控，应用具有更大的灵活性。
相比于现有技术，本发明的透射型硅基电可调太赫兹动态器件材料选择为N型高阻硅以及高电导率金属层，相较于其他太赫兹动态器件，本发明的动态器件制备工艺简单，成本低廉，适合大规模制备，调控手段便捷，且与目前硅基CMOS工艺兼容性较好。同时该太赫兹动态器件具有稳定性能较好的优点，使用寿命较长。
附图说明
图1示出实施例1结构示意图；
图2示出实施例1两个插指电极的剖视图；
图3示出实施例1两个插指电极的俯视图；
图4示出实施例2结构示意图；
图5示出实施例2样品结构扫描电镜俯视图；
图6示出实施例1样品测试时域信号；
图7示出实施例1样品测试频域信号；
图8示出实施例2样品测试时域信号；
图9示出实施例2样品测试频域信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：包含插指电极的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件
图1示出本发明一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件的实施例1的结构示意图(图中示出的硅衬底1为长方体形衬底，但是在实际使用中，也可以使用常见的圆形硅衬底)，从图中可见，一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件包括硅衬底1、正电极4、负电极5、电源6。正电极4、负电极5均为插指电极；正电极4包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；负电极5包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；正电极4的主电极和负电极5的主电极彼此相对且相互平行，正电极4的多根插指电极和负电极5的多根插指电极相互插入且全部相互平行，最终形成从左至右依次为：正电极4的第一根插指电极、负电极5的第一根插指电极、正电极4的第二根插指电极、负电极5的第二根插指电极...交错布置的顺序，最后一根插指电极可以为正电极4的第N根插指电极或负电极5的第N根插指电极；插指电极的形状、正负电极之间的位置关系为本领域技术人员熟知，不再累述。
图2示出相邻两个插指电极的剖视图，剖视图的剖面与这两个插指电极的长度方向相垂直。由图可见，本发明的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其由下向上依次为硅衬底1，金属粘附层2、金属层3，其中金属层3形成插指电极。
硅衬底1通常为长方体结构的N型高阻硅片，略厚，厚度为1-2mm，阻值大于1000Ω/cm。如图3的俯视图所示，金属粘附层2的形状和图1所示的正电极4以及负电极5的形状完全相同，其用于粘合硅衬底1和金属层3，材料例如为金属钛或铬，厚度为5-20nm，优选10nm。
如图3的俯视图所示，金属层3的形状和图1所示的正电极4、负电极5的形状完全相同，因此，如图2所示，金属粘附层2和金属层3在水平面上的投影完全重叠。金属层3的材料例如为铝、金或铂金等高电导率材料，厚度为150-300nm，优选200nm。金属层3线宽a为5-20μm，优选15μm；线间距b为30-100μm，优选50μm。
实施例2：包含插指电极与非对称开口谐振环的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件
实施例2是在实施例1的基础上，在相邻金属层3之间添加非对称开口谐振环(图中示出的硅衬底1为长方体形衬底，但是在实际使用中，也可以使用常见的圆形硅衬底)，从图中可见，一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件包括硅衬底1、正电极4、负电极5、谐振环阵列7、电源6，其中硅衬底1、正电极4、负电极5、电源6的形状、结构、相互之间的位置关系均与实施例1的相同。
谐振环阵列7包括在相邻插指电极之间分布的多个谐振环，多个谐振环形成阵列，例如图4中示出的7*4谐振环阵列7，或图5中示出的5*4谐振环阵列7。实际使用中，谐振环阵列7形式、样式、数量灵活多变，甚至可以在谐振环阵列7中空出一些位置不布置谐振环，具体根据需要确定。图5示出谐振环阵列7的俯视图，就单个谐振环而言，其俯视图为带有两个非对称缺口的圆环形，也即，非对称开口谐振环包括一个长边和一个短边，长边和短边均为弧形边。在本发明的一个实施例中，长边对应的圆心角为170°，短边对应的圆心角为150°，对于360度的圆心角而言，其余40°为两个缺口对应的圆心角之和。对于每个谐振环而言，其与邻近的插指电极均存在一定间隔，同一行中的谐振环与同一个插指电极间距相同。虽然没有示出谐振环的剖视图，但谐振环金属部分的剖视图也包括金属粘附层2和金属层3；金属粘附层2附着于硅衬底1上表面，用于粘合硅衬底1和金属层3；金属粘附层2和金属层3俯视图的形状与图5所示谐振环形状完全相同，也都是带有两个非对称缺口的圆环形，因此，金属粘附层2和金属层3在水平面上的投影也完全相同。金属粘附层2和金属层3的厚度与实施例1中对应尺寸相同，金属粘附层2和金属层3的宽度根据实际需要确定。
实际使用中，谐振环阵列7为一种超构材料，超构材料形状根据实现的谐振类型而定。实施例2是为实现法诺谐振而构建的非对称开口谐振环。超构材料也可以根据实际需要构建成其他形状，例如工字形结构，方形开口谐振环结构，半圆形结构等。
制备上述透射型硅基电可调太赫兹动态器件的工艺步骤如下：
S1，利用化学物理方法清洗硅衬底1，保证硅衬底1表面没有灰尘颗粒污染；
S2，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在硅衬底1上沉积金属粘附层2；该方法为本领域技术人员熟知，不再累述；
S3，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在金属粘附层2上沉积金属层3；该方法为本领域技术人员熟知，不再累述；
S4，利用干法或湿法刻蚀技术，在金属粘附层2及金属层3上进行插指电极(在实施例2中还需要包括非对称开口谐振环)的图形化处理；具体方法为金属刻蚀，具体的刻蚀方法为本领域技术人员熟知，不再累述。刻蚀深度为金属粘附层2与金属层3的厚度之和。
实施例1：
一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其结构如图1所示，如图2所示，该动态器件由下至上，依次为N型高阻硅，金属粘附层2，金属层3。其中金属层3为插指电极结构。N型高阻硅的厚度为1mm，阻值为4000Ω/cm。金属粘附层2为钛，厚度为10nm。金属层3为铂金，厚度为200nm。图3为器件结构俯视图，插指电极线宽为15微米，线间距为50微米。
本实施中的调制器制备工艺如下：清洗硅衬底，在硅衬底上通过磁控溅射沉积10nm的钛作金属粘附层，在钛粘附层上沉积200nm的铂金做金属层。光刻掩模板后通过干法刻蚀得到插指电极结构。
本实施例制备的太赫兹调制器借助于插值电极施加直流偏置电流，随着直流偏置电流的增加，太赫兹时间延迟信号变化如图6所示，同时频域信号随电流变化如图7所示。该调制器在0.2-1.2THz的频率范围内透射率由1逐渐变化到0.07，调制深度达到93％，具有优异的调制效能；经过反复测试，该调制器的调制效果基本无变化，具有较好的综合性能，具有较好的应用前景。
实施例2：
一种透射型硅基电可调太赫兹法诺谐振开关器件设计。该动态器件由下至上，依次为N型高阻硅，金属粘附层2，金属层3。其中金属层3为插指电极结构与非对称开口谐振环，扫描电子显微镜获得的俯视图如图5所示。插值电极线宽10μm，线间距80μm，非对称开口谐振环线宽4μm，外径30μm，长边内角度170°，短边内角度150°。N型高阻硅的厚度为1mm，阻值为4000Ω/cm。金属粘附层2为钛，厚度为10nm。金属层3为铂金，厚度为200nm。
本实施例制备的太赫兹调制器借助于金属平面插指电极在N型高阻硅表面施加不同大小的偏置电流，实现非平衡载流子层厚度与电导率的双重调控，进而实现法诺谐振开关的完全切换以及太赫兹透射幅值的深度调制，测试时间延迟信号变化如图8所示，同时频域信号随电流变化如图9所示。
Claims (10)
1.一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，其由下向上依次为硅衬底(1)，金属粘附层(2)、金属层(3)，其中金属层(3)包括正电极(4)和负电极(5)形成插指电极；电源(6)的位置根据需要确定；其中
硅衬底(1)为N型高阻硅片；
金属层(3)所包含的正电极(4)、负电极(5)均为处于相同金属层的插指电极；正电极(4)包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；负电极(5)包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；正电极(4)的主电极和负电极(5)的主电极彼此相对且相互平行，正电极(4)的多根插指电极和负电极(5)的多根插指电极相互插入且全部相互平行，最终形成从左至右依次为：正电极(4)的第一根插指电极、负电极(5)的第一根插指电极、正电极(4)的第二根插指电极、负电极(5)的第二根插指电极...交错布置的顺序，最后一根插指电极为正电极(4)的第N根插指电极或负电极(5)的第N根插指电极；
金属粘附层(2)的形状和金属层(3)在水平面上投影的形状完全相同，金属粘附层(2)和金属层(3)在水平面上的投影完全重叠；金属粘附层(2)用于粘合硅衬底(1)和金属层(3)；
电源(6)的正、负输出端分别连接正电极(4)、负电极(5)。
2.如权利要求1所述的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，硅衬底(1)厚度为1-2mm，阻值大于1000Ω/cm。
3.如权利要求1所述的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，金属粘附层(2)厚度为5-20nm。
4.如权利要求3所述的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，金属粘附层(2)厚度为10nm，材料为金属钛或铬。
5.如权利要求1所述的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，金属层(3)厚度为150-300nm；金属层(3)线宽a为5-20μm，线间距b为30-100μm。
6.如权利要求5所述的透射型硅基电可调太赫兹动态器件，其特征在于，金属层(3)的材料为高电导率材料，厚度为200nm；金属层(3)线宽a为15μm，线间距b为50μm。
7.一种包含插指电极与非对称开口谐振环的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件，其特征在于，其由下向上依次为硅衬底(1)，金属粘附层(2)、金属层(3)；其中金属层(3)包括正电极(4)和负电极(5)形成插指电极，还包括在相邻插指电极之间的非对称开口谐振环，全部谐振环形成谐振环阵列(7)；电源(6)的位置根据需要确定；其中
硅衬底(1)为N型高阻硅片；
金属层(3)所包含的正电极(4)、负电极(5)均为处于相同金属层的插指电极；正电极(4)包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；负电极(5)包含一根横向主电极和与主电极相垂直布置的多根插指电极，多根插指电极通常横向间隔相同，其一端与主电极相连，另一端齐平；正电极(4)的主电极和负电极(5)的主电极彼此相对且相互平行，正电极(4)的多根插指电极和负电极(5)的多根插指电极相互插入且全部相互平行，最终形成从左至右依次为：正电极(4)的第一根插指电极、负电极(5)的第一根插指电极、正电极(4)的第二根插指电极、负电极(5)的第二根插指电极...交错布置的顺序，最后一根插指电极为正电极(4)的第N根插指电极或负电极(5)的第N根插指电极；
金属粘附层(2)的形状和金属层(3)在水平面上投影的形状完全相同，金属粘附层(2)和金属层(3)在水平面上的投影完全重叠；金属粘附层(2)用于粘合硅衬底(1)和金属层(3)；
电源(6)的正、负输出端分别连接正电极(4)、负电极(5)；其中
就单个谐振环而言，其形状为超构材料形状。
8.如权利要求7所述的包含插指电极与非对称开口谐振环的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件，其特征在于，单个谐振环是带有两个非对称缺口的圆环形，也就是说，非对称开口谐振环包括一个长边和一个短边，长边和短边均为弧形边；对于每个谐振环而言，其与邻近的插指电极均存在一定间隔，同一行中的谐振环与同一个插指电极间距相同；并且，谐振环金属部分的剖视图也包括金属粘附层(2)和金属层(3)；金属粘附层(2)附着于硅衬底(1)上表面，用于粘合硅衬底(1)和金属层(3)；金属粘附层(2)和金属层(3)在水平面上的投影完全相同；谐振环的金属粘附层(2)和金属层(3)的宽度根据实际需要确定。
9.如权利要求8所述的包含插指电极与非对称开口谐振环的透射型硅基电可调太赫兹动态器件器件，其特征在于，长边对应的圆心角为170°，短边对应的圆心角为150°，其余40°为两个缺口对应的圆心角之和。
10.一种透射型硅基电可调太赫兹动态器件的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
S1，利用化学物理方法清洗硅衬底(1)，保证硅衬底(1)表面没有灰尘颗粒污染；
S2，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在硅衬底(1)上沉积金属粘附层(2)；
S3，利用电子束蒸发或磁控溅射方法，在金属粘附层(2)上沉积金属层(3)；
S4，利用干法或湿法刻蚀技术，在金属粘附层(2)及金属层(3)上进行插指电极的图形化处理；具体方法为金属刻蚀；刻蚀深度为金属粘附层(2)与金属层(3)的厚度之和。
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