一种半导体超材料波片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体超材料波片及其制备方法。本发明专利技术提供的半导体超材料波片由多层本征半导体层和多层掺杂半导体层交叉堆叠构成；本征半导体层和掺杂半导体层在垂直于层面方向的厚度均小于共振波长的四分之一。其中，掺杂半导体层内部的自由载流子为电磁共振提供载体。当入射电磁波在垂直于层面方向上的分量不为零时，会产生电磁共振响应。本发明专利技术利用超材料强烈的电磁共振效应，减小了波片的体积，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度。本发明专利技术采用掺杂半导体为载流子的电磁共振提供载体，降低了波片的吸收损耗，提高了波片的转换效率，且该波片的结构简单，更易与其他半导体器件集成，也易于制备。

A Semiconductor Metamaterial Waveplate and Its Preparation Method

The invention discloses a semiconductor supermaterial wave plate and a preparation method thereof. The semiconductor supermaterial wave plate provided by the invention is composed of a multi-layer intrinsic semiconductor layer and a multi-layer doped semiconductor layer, and the thickness of the intrinsic semiconductor layer and the doped semiconductor layer in the direction perpendicular to the plane is less than one fourth of the resonance wavelength. Among them, the free carrier electrons doped in the semiconductor layer provide the carrier for EMR. When the component of the incident electromagnetic wave is not zero perpendicular to the plane direction, the electromagnetic resonance response will be generated. The invention utilizes the strong electromagnetic resonance effect of the metamaterial, reduces the volume of the wave plate, integrates with other optical devices, and is beneficial to improving the integration degree of the optical system. The invention adopts doped semiconductor as carrier for carrier electromagnetic resonance, reduces the absorption loss of wave plate, improves the conversion efficiency of wave plate, and has simple structure, easy integration with other semiconductor devices, and easy preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体超材料波片及其制备方法
本专利技术涉及光学器件
，尤其涉及一种半导体超材料波片及其制备方法。
技术介绍
在材料领域中，复合型超材料是一种三维结构的超材料，与常见的“回”字型、“C”字型、“I”字型等周期单元金属超材料结构不同，层状复合型超材料是一种由多层不同材料构成的层状型超材料，而且每层的厚度均小于研究的波长。另外，常见周期单元金属超材料的电磁理论主要基于LC电路共振理论，复合型超材料电磁特性则是通过有效媒质理论(EffectiveMediumTheory，简称：EMT)确定。传统的波片大多由具有双折射特性的光学晶体制备而来。由于自然晶体对电磁波的电磁响应较弱，因而传统波片的体积较大、成本较高，不便于光学集成。基于电磁共振效应的新兴的超材料波片，体积小且工作波段和工作带宽可灵活设计，因而引起了人们的广泛关注。其中，基于介质超材料的波片可实现超宽的工作带宽与接近于100％的工作效率，但多数的介质超材料波片都是以硅作为工作介质。因受限于硅的禁带宽度，该类波片在300太赫兹以上的波段无法保持高效率工作。而基于金属基的超材料波片也是常见的超材料波片，虽然体积更小，但是绝大多数红外和可见光波段金属超材料波片的损耗高，且转换效率普遍较低。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种半导体超材料波片及其制备方法，实现了损耗低、转换效率高、波段宽的技术效果。本专利技术提供了一种半导体超材料波片，包括：本征半导体层和掺杂半导体层；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层交叉堆叠；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层的单层厚度均小于入射光波长的四分之一。进一步地，所述本征半导体层的单层厚度与所述掺杂半导体层的单层厚度相等。进一步地，所述本征半导体层的单层厚度与所述掺杂半导体层的单层厚度不相等。进一步地，所述本征半导体层的单层厚度和所述掺杂半导体层的单层厚度均在80nm～5000nm之间。进一步地，所述本征半导体层和所述掺杂半导体层的总层数至少为50层。进一步地，所述本征半导体层和所述掺杂半导体层由同一种化学元素材料构建得到。进一步地，所述本征半导体层和所述掺杂半导体层由不同的化学元素材料构建得到。进一步地，所述掺杂半导体层的掺杂类型为N型掺杂和/或P型掺杂。本专利技术提供的半导体超材料波片的制备方法，包括：先外延生长制备第一层本征半导体，再在所述第一层本征半导体上生长出第一层掺杂半导体，接着在所述第一层掺杂半导体上外延生长出第二层本征半导体；以此类推，得到所述交叉堆叠的本征半导体层和掺杂半导体层。进一步地，在所述外延生长制备第一层本征半导体之后，还包括：铣削所述第一层本征半导体。本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术提供的半导体超材料波片由多层本征半导体层和多层掺杂半导体层交叉堆叠构成；本征半导体层和掺杂半导体层在垂直于层面方向的厚度均小于共振波长的四分之一。其中，掺杂半导体层内部的自由载流子为电磁共振提供载体。当入射电磁波在垂直于层面方向上的分量不为零时，会产生电磁共振响应。通过调节本征半导体层与掺杂半导体层在垂直于层面方向的厚度来调控复合型半导体超材料波片的工作波长。通过调整本征半导体层或掺杂半导体层的相对厚度，即可调节电场垂直于层面方向的电磁波的相位突变量，以实现两正交电磁波90°的相位差。通过改变本征半导体层和掺杂半导体层的尺寸和掺杂半导体层的载流子浓度来调节偏振方向分别平行、垂直于层面方向的透射光分量之间的相位延迟。相较于传统的基于光学晶体的波片，本专利技术利用超材料强烈的电磁共振效应，减小了波片的体积，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度。相较于现有的金属超材料波片，本专利技术采用掺杂半导体为载流子的电磁共振提供载体，降低了波片的吸收损耗，提高了波片的转换效率，且该波片的结构简单，更易与其他半导体器件集成，也易于制备。附图说明图1为本专利技术实施例提供的半导体超材料波片45度视角立体结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的半导体超材料波片的剖面结构示意图；图3为本专利技术实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿z轴方向入射光分量的透射率随入射光波长的变化曲线图；图4为本专利技术实施例中偏振沿x轴方向与偏振沿z轴方向入射光分量之间的相位差随入射光波长的变化曲线图；其中，1代表本征半导体层，2代表掺杂半导体层，x、y坐标方向代表器件平行层面方向，z坐标方向代表器件垂直层面方向。具体实施方式本专利技术实施例通过提供一种半导体超材料波片及其制备方法，实现了损耗低、转换效率高、波段宽的技术效果。本专利技术实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：本专利技术实施例提供的半导体超材料波片由多层本征半导体层和多层掺杂半导体层交叉堆叠构成；本征半导体层和掺杂半导体层在垂直于层面方向的厚度均小于共振波长的四分之一。其中，掺杂半导体层内部的自由载流子为电磁共振提供载体。当入射电磁波在垂直于层面方向上的分量不为零时，会产生电磁共振响应。通过调节本征半导体层与掺杂半导体层在垂直于层面方向的厚度来调控复合型半导体超材料波片的工作波长。通过调整本征半导体层或掺杂半导体层的相对厚度，即可调节电场垂直于层面方向的电磁波的相位突变量，以实现两正交电磁波90°的相位差。通过改变本征半导体层和掺杂半导体层的尺寸和掺杂半导体层的载流子浓度来调节偏振方向分别平行、垂直于层面方向的透射光分量之间的相位延迟。相较于传统的基于光学晶体的波片，本专利技术实施例利用超材料强烈的电磁共振效应，减小了波片的体积，可与其他光学器件集成化，有利于提高光学系统的集成度。相较于现有的金属超材料波片，本专利技术实施例采用掺杂半导体为载流子的电磁共振提供载体，降低了波片的吸收损耗，提高了波片的转换效率，且该波片的结构简单，更易与其他半导体器件集成，也易于制备。为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。参见图1和图2，本专利技术实施例提供的半导体超材料波片，包括：本征半导体层1和掺杂半导体层2；本征半导体层1与掺杂半导体层2交叉堆叠；本征半导体层1与掺杂半导体层2的单层厚度均小于入射光波长的四分之一。在本实施例中，在由x轴、y轴和z轴构成的直角坐标系下，正向入射光沿着z轴的负方向入射到本专利技术实施例提供的半导体超材料波片中。对本专利技术实施例提供的半导体超材料波片的结构进行具体说明，本征半导体层1的单层厚度与掺杂半导体层2的单层厚度相等。或，本征半导体层1的单层厚度与掺杂半导体层2的单层厚度不相等。当然，也可以一部分本征半导体层1的单层厚度与掺杂半导体层2的单层厚度相等，另一部分本征半导体层1的单层厚度与掺杂半导体层2的单层厚度不相等。对本专利技术实施例提供的半导体超材料波片的结构进行进一步说明，本征半导体层1的单层厚度和掺杂半导体层2的单层厚度均在80nm～5000nm之间。具体地，本征半导体层1和掺杂半导体层2的总层数至少为50层。对本专利技术实施例提供的半导体超材料波片的结构进行更进一步说明，本征半导体层1和掺杂半导体层2由同一种化学元素材料构建得到。或，本征半导体层1和掺杂半导体层2由不同的化学元素材料构建得到。当然，也可以本征半导体层1和掺杂半导体层2的化学元素材料部分相同而非全部相同或全部不同。在本实施例中，本征半导体可以是任意常见的、没本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体超材料波片，其特征在于，包括：本征半导体层和掺杂半导体层；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层交叉堆叠；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层的单层厚度均小于入射光波长的四分之一。

【技术特征摘要】
1.一种半导体超材料波片，其特征在于，包括：本征半导体层和掺杂半导体层；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层交叉堆叠；所述本征半导体层与所述掺杂半导体层的单层厚度均小于入射光波长的四分之一。2.如权利要求1所述的半导体超材料波片，其特征在于，所述本征半导体层的单层厚度与所述掺杂半导体层的单层厚度相等。3.如权利要求1所述的半导体超材料波片，其特征在于，所述本征半导体层的单层厚度与所述掺杂半导体层的单层厚度不相等。4.如权利要求1所述的半导体超材料波片，其特征在于，所述本征半导体层的单层厚度和所述掺杂半导体层的单层厚度均在80nm～5000nm之间。5.如权利要求4所述的半导体超材料波片，其特征在于，所述本征半导体层和所述掺杂半导体层的总层数至少为50层。6.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵力，王文进，黄黎蓉，罗朝明，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43