一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于锑化铟(InSb)条带微结构太赫兹调制器及其制备方法，调制器包括Si衬底，生长在Si衬底上的绝缘层，生长在绝缘层上的基于锑化铟的条带型微结构层，该条带型微结构层为铜‑锑化铟混合条带型微结构或锑化铟‑锑化铟混合条带型微结构。InSb混合条带微结构中明态模式和暗态模式相互干涉形成Fano共振；其共振峰的频率和振幅可以通过使用不同掺杂浓度的锑化铟或者改变外界温度的等方法进行灵活调节。本发明专利技术的太赫兹锑化铟混合条带型微结构调制器可实现对入射太赫兹波的有效调制，实现品质因子高于20的Fano共振透射峰，其峰值最高可以达到0.97，调制深度大于80％。

A Terahertz Modulator Based on InSb Strip Microstructure and Its Preparation Method

The invention relates to a band microstructured terahertz modulator based on indium antimony (InSb) and its preparation method. The modulator includes a Si substrate, an insulating layer grown on the Si substrate, and a band microstructural layer based on indium antimony growing on the insulating layer. The band microstructural layer is a copper-indium antimony mixed band microstructural layer or an indium antimony mixed band microstructural layer. Fano resonance is formed by the interference of bright and dark modes in InSb mixed strip microstructures. The frequency and amplitude of the resonance peak can be flexibly adjusted by using different doping concentration of indium antimonide or changing external temperature. The terahertz indium antimonide mixed strip microstructural modulator can effectively modulate the incident terahertz wave, and realize Fano resonance transmission peak with quality factor higher than 20. The peak value can reach 0.97, and the modulation depth is more than 80%.

【技术实现步骤摘要】
一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法
本专利技术属于半导体光电材料与器件
，尤其是涉及一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(terahertz,THz，1THz＝1012Hz＝33.3cm-1波通常是指频率在0.3THz-10THz(波长1mm-30μm)范围内的电磁辐射，其波谱位于微波和红外光之间，在无线通讯、物体成像、生物检测和天文观测等方面表现出巨大的潜力。长期以来，由太赫兹源、波导功能器件和探测器构成的太赫兹通信系统因频段资源丰富、带宽大和保密性好等优点在国民经济、国家安全等众多领域都展现出重大的科研价值。例如，有研究表明在0.4THz波段的单通道THz光子无线传输系统中可以实现超过100Gb/s的数据速率。近些年随着半导体技术和微纳米加工技术的不断发展，太赫兹辐射源和探测器等器件不断进步完善。但因为太赫兹波的波长较长，载流子对其吸收也很强，所以传统的介质波导和金属波导设计很难对其实现有效的限制。在自然界中也很难找到对太赫兹波产生强烈响应的介质材料，因此对其实现有效操控就显得很困难，工作于太赫兹波段的调制器、滤波器和传感器等可调谐功能器件也就十分匮乏。超材料(Metamaterials,MMs)的出现有望解决这一难题，其性质和功能主要取决于结构单元形状而非构成材料。在众多的太赫兹调制器(如量子阱调制器，光子晶体调制器，液晶调制器)中，超材料调制器基于独特的电磁性质而发展迅速，对实现太赫兹波振幅、相位和偏振等性质的有效操控具有重要的意义。通过合理设计超材料结构单元及优化结构参数，可以实现对入射波电磁特性的调控。超材料常见的微结构单元主要有开口环、十字型、鱼网型等，构成材质主要包括金属(Ag，Au，Cu)和半导体(如VO2，InSb)以及近年受到关注的二维半导体材料，如石墨烯(graphene)、黑磷和二硫化钼。超材料微结构设计灵活，易于制作，对太赫兹波响应明显，但是由于欧姆损耗和太赫兹波与超材料结构之间强共振的辐射损耗，导致超材料结构体系的耗散较大，难以获得高品质因子的共振谱线。Fano共振具有低损耗、局域电场强和色散显著等特点，有助于获得高品质因子的谱线。光栅是一种由平行狭缝构成的光学元件，可分为一维光栅，二维光栅，孔阵列结构和颗粒阵列结构。自Wood异常衍射现象被发现，光栅结构因能补偿入射光波矢从而激发表面等离子体共振的特点成为了微波至光学频段的重要研究对象。通过改变光栅周期性结构的材料性质、几何参数、光波入射角度或偏振状态能便捷、有效地控制入射波的透射、反射和吸收共振谱线特性，产生如异常透射增强(Extraordinarytransmission)和负折射等有趣的物理现象。作为一种典型的窄禁带半导体材料，锑化铟(InSb)具有带隙窄(约0.17eV)、电子有效质量小(0.015me，me是自由电子质量)、电子迁移率高(78000cm2·V-1·s-1)和弛豫时间较短(约5×10-8s)等优良属性，在光电器件的实际生产中扮演着重要角色。另外，半导体锑化铟的载流子浓度还可以通过掺杂或者改变温度或磁场进行灵活的调节，从而使其光学常数在很大范围内改变。因此，锑化铟材料非常适合作为THz和中红外波段的可调谐介质，在探测器，滤波器，传感器，透镜和磁控开关等方面得到广泛应用。2009年，Han等人提出了一种锑化铟亚波长方形孔状阵列结构，通过改变直流磁场或者温度可实现对太赫兹波谐振频率的调节，例如，当磁场为0.5T，温度从250K上升至320K时，谐振频率从1.65THz移至3.31THz。2015年，Prasad等人基于锑化铟的谐振阵列，通过改变锑化铟的载流子浓度实现了太赫兹波透射振幅和相位的控制，当载流子浓度从1017cm-3增加到1018cm-3时，可以实现完全透射的2π相移。同年，南开大学现代光学研究所的常胜江等人提出了一种基于InSb的单面介质表面光栅结构(single-sidedielectricsurfacegratingstructure)，通过改变温度或磁场实现定向光束的可调谐功能，仿真结果表明，当温度和磁场分别设定在220K和0.6T时，工作频率为0.65THz，偏转角可以达到45.5°。2016年，福州大学的王向峰等人专利技术了一种基于锑化铟的太赫兹圆偏振光产生方法，根据入射波的频率，通过调整磁场的入射方向和大小，可以获得太赫兹圆偏振光，该方法具有调制频率宽、圆偏振出射完美以及偏振态可调谐的优点。2017年，中国科学院上海技术物理研究所的黄志明等人相继提出了一种基于锑化铟的太赫兹探测器及制作方法，该探测器结构紧凑，响应范围可覆盖0.04-2.5THz，可在室温及适当制冷条件下实现对太赫兹波的高灵敏探测。虽然这些锑化铟可调谐功能器件可以实现太赫兹波振幅、相位、频率等参量的调节，但是依然存在调制深度小、品质因子低的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法，通过掺杂锑化铟或者改变外界温度从而实现对入射THz波的有效调制。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，包括：Si衬底，生长在Si衬底上的绝缘层，生长在绝缘层上的基于锑化铟的条带型微结构层，该条带型微结构层为铜-锑化铟混合条带型微结构或锑化铟-锑化铟混合条带型微结构。所述铜-锑化铟混合条带型微结构中的铜的厚度为100-250nm，锑化铟的厚度与铜的厚度相同，掺杂的锑化铟中的载流子浓度5×1016-5×1018cm-3，通过扩散和离子注入等半导体掺杂方法实现并确定。对于铜-锑化铟混合结构，可以通过使用不同掺杂浓度的锑化铟或者通过改变外界温度，从而改变锑化铟的光电特性，对入射太赫兹波的性能进行调制。当掺杂锑化铟的载流子浓度在5×1016cm-3到5×1018cm-3之间改变的情况下，对于铜-锑化铟混合结构，Fano共振透射峰的幅值调制深度可以达到83.14％，品质因子最高达到33.89。所述锑化铟-锑化铟混合条带型微结构中锑化铟条带的厚度为1μm，固定一条锑化铟条带中的载流子浓度为5×1018cm-3。另一锑化铟条带掺杂浓度通过扩散和离子注入等半导体掺杂方法实现并确定。对于锑化铟-锑化铟混合结构，固定一条带掺杂浓度，可以通过使用不同掺杂浓度的另一锑化铟条带，改变其光电特性，对入射太赫兹波的性能进行调制，对于锑化铟-锑化铟混合结构，Fano共振透射峰幅度调制深度达到82.65％，品质因子最高达到58.08。所述Si衬底的厚度为5-200μm，优选为20-100μm，从而降低损耗。所述绝缘层为SiO2介质层或Al2O3介质层，厚度为10-300nm，优选为30-100nm。一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器的制备方法，采用以下步骤：(1)用外延生长方法，制作Si衬底；(2)采用热蒸发的方法在Si衬底上生长SiO2介质层；(3)制作锑化铟条带微结构：择掺杂浓度合适的锑化铟靶材，使用磁控溅射的方法在SiO2介质层上制作锑化铟薄膜，然后用电子束曝光的方法得到锑化铟条带微结构；(4)制作锑化铟混合条带型微结构：在(3)的基础上，使用掩膜板保护好已生长好的锑化铟条带，然后制作铜层或锑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，该调制器包括：Si衬底，生长在Si衬底上的绝缘层，生长在绝缘层上的基于锑化铟的条带型微结构层，该条带型微结构层为铜‑锑化铟混合条带型微结构或锑化铟‑锑化铟混合条带型微结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，该调制器包括：Si衬底，生长在Si衬底上的绝缘层，生长在绝缘层上的基于锑化铟的条带型微结构层，该条带型微结构层为铜-锑化铟混合条带型微结构或锑化铟-锑化铟混合条带型微结构。2.根据权利要求1所述的一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，所述铜-锑化铟混合条带型微结构中的铜的厚度为100-250nm，锑化铟的厚度与铜的厚度相同，掺杂的锑化铟中的载流子浓度5×1016-5×1018cm-3。3.根据权利要求1所述的一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，所述锑化铟-锑化铟混合条带型微结构中锑化铟条带的厚度为1μm，固定一条锑化铟条带中的载流子浓度为5×1018cm-3。4.根据权利要求1所述的一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，所述Si衬底的厚度为5-200μm，优选为20-100μm。5.根据权利要求1所述的一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器，其特征在于，所述绝缘层为SiO2介质层或Al2O3介质层，厚度为10-300nm，优选为30-100nm。6.如权利要求1所述的一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)用外延生长方法，制作Si衬底；(2)采用热蒸发的方法在Si衬底上生长SiO2介质层作为绝缘层；(3)制作锑...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晓勇，石陈煜燚，张浩，刘峰，林方婷，肖桂娜，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31