本发明专利技术提供一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法和调制系统，太赫兹调制器从下至上依次包括：底层的Al2O3衬底、SiO2隔离层、硅基微结构、Al2O3钝化层，硅基微结构在SiO2隔离层上周期性排列，每个硅基微结构包括两层正方形Si基台阶结构，调制系统包括：半导体激光器、激光调制器、太赫兹调制器、太赫兹辐射源、太赫兹探测器，本发明专利技术对于0.4THz～0.85THz的太赫兹波具有22％以下的反射率，在0.82THz处达到最低18％，可显著降低调制器件对太赫兹波的反射率，提高太赫兹波的利用率；在功率为1200mw的808nm激光照射下达到64.5％的调制深度；太赫兹成像扩散区域相较于传统硅基太赫兹调制器，有效提高成像系统中的分辨率达到21.9％以上。
THz Modulator Based on Silicon Microstructure on SOI and Its System Design
【技术实现步骤摘要】
基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及系统和方法
本专利技术属于太赫兹技术与应用领域，涉及太赫兹成像系统及相关领域的太赫兹幅度调制器件，具体为一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于SOI上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。
技术介绍
太赫兹指的是频率范围在0.1THz到10THz，波长从0.03mm到3mm的范围内的电磁波。相比于X射线，太赫兹波可以很好的穿透很多非极性材料及介电材料，可以对不透明物体进行透视成像；太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏特(meV)量级，小于各种化学键的键能，从而无法引起各种有害的电离反应；同时，由于水对太赫兹有很强的吸收效果，使得太赫兹辐射无法穿透人体或其他生物的皮肤，这为太赫兹波在安检领域作为X射线的补充与替代打下了基础。对于光控太赫兹调制器而言，其调制信号来源于外加的激励激光，当入射激光的光子能量大于硅的禁带宽度时，硅内部的基态电子吸收光子所携带的能量而跃迁至激发态，形成载流子，称为“光生载流子”，这一过程称为”光掺杂“，这种作用会导致器件中非平衡载流子浓度的增大，进而导致加激光前后，器件电导率发生变化，加激光后电导率提高，太赫兹波穿过时的衰减增强，穿过器件透射的太赫兹波的幅值降低，从而起到调制的作用。传统的光控太赫兹调制器存在三个主要问题，其一是太赫兹波插入损耗过高，传统高阻硅太赫兹调制器对太赫兹波的反射高达30％，这在目前太赫兹辐射源功率普遍较低，太赫兹探测器灵敏度相对不高的情况下，是一种极大的损失，2014年，YanPeng、XiaoFeiZang等人制备出一种基于双层掺杂硅光栅结构的太赫兹完美吸收器，通过光栅阵列来激发气隙模式共振，经过一系列的参数优化，最终达到对太赫兹波95％的吸收率，即对太赫兹波反射率只有5％，有效的解决了太赫兹波传输中的插入损耗问题；其二是调制深度问题，当前传统硅基光控太赫兹幅度调制器的调制深度相对较低，难以满足当前太赫兹成像系统的要求；其三是载流子扩散问题，光控太赫兹调制器的调制激光入射到调制器表面时，产生的光生载流子会扩散到调制激光信号周围，产生较大的相应区域，这不利于太赫兹成像精度的提高。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于SOI上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，从下至上依次包括：底层的Al2O3衬底12、SiO2隔离层11、硅基微结构10、Al2O3钝化层9，硅基微结构10在SiO2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形Si基台阶结构，从上至下分别为上层Si基台阶101和下层Si基台阶102，上层Si基台阶101和下层Si基台阶102的中心对齐，上层Si基台阶101的边长小于下层Si基台阶102的边长。作为优选方式，硅基微结构10的两层正方形Si基台阶结构都为Si层，Si层电阻率大于3000Ω.cm，两层正方形Si基台阶结构的总厚度为90μm。只有电阻率高于3000Ω.cm的高阻硅，才能使器件受光照后产生明显的电导率变化。总厚度为90μm是仿真结果最优时的尺寸。作为优选方式，相邻两个硅基微结构10中心的间距为100μm，上层Si基台阶101边长66μm、高度为45μm，下层Si基台阶102边长为84μm、高度为45μm。所述尺寸是仿真结果最优时的尺寸。作为优选方式，所述太赫兹调制器8表面运用原子层沉积(ALD)的方式镀上一层厚度为20～30nm的Al2O3薄膜作为钝化层。作为优选方式，所述太赫兹调制器8对太赫兹波束7的反射率在22％以下，最低达到18％。作为优选方式，所述太赫兹调制器8对太赫兹波束7的调制深度在1200mw的808nm激光照射下达到64.5％。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种上述基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：利用电磁仿真软件对所述硅基微结构进行3D建模，模型总厚度为500μm，Si层厚度为90μm，设置好边界条件和求解器后，将两层正方形台阶的边长与台阶高度设置为变量进行扫描，以获得最佳的仿真参数，最终优化得到的最佳的参数为上层Si基台阶边长66μm，高度为45μm；下层Si基台阶边长84μm，高度45μm；步骤二：清洗SOI基片：首先将SOI基片放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗10-15min，然后再使用酒精超声清洗10-15min，最后使用去离子水超声清洗10-15min，清洗后的SOI基片再氮气吹干，烘箱中干燥；步骤三：根据仿真计算得到的硅基微结构尺寸加工掩模版后，首先把SOI基片放入热氧化炉，采用干氧氧化方法生长3μm厚的二氧化硅掩膜层，然后利用半导体光刻工艺和ICP蚀刻方法对SOI衬底上的Si衬底进行深加工，先刻蚀Si层留下下层Si基台阶，再刻蚀制备出上层Si基台阶，形成具有双层正方形台阶的周期型硅基微结构。步骤四：使用原子层沉积方法，在调制器件表面镀上一层20-30nm的Al2O3薄膜作为钝化层。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种基于SOI上硅基微结构的光控太赫兹调制系统，包括：半导体激光器3、激光调制器5、太赫兹调制器8、太赫兹辐射源1、太赫兹探测器2，半导体激光器3通过光纤4连接激光调制器5，激光调制器5发出的激光波束6入射到太赫兹调制器8表面作为激励激光，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2位于太赫兹调制器的左右两侧，太赫兹辐射源1发出的太赫兹波束7垂直透过太赫兹调制器8后入射到太赫兹探测器2中，太赫兹波束7入射方向为太赫兹调制器8带有硅基微结构10的一侧，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2在水平方向对齐；太赫兹调制器从下至上依次包括：底层的Al2O3衬底12、SiO2隔离层11、硅基微结构10、Al2O3钝化层9，硅基微结构10在SiO2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形Si基台阶结构，从上至下分别为上层Si基台阶101和下层Si基台阶102，上层Si基台阶101和下层Si基台阶102的中心对齐，上层Si基台阶101的边长小于下层Si基台阶102的边长。作为优选方式，所述半导体激光器3的输出波长为300nm～1000nm，激光强度为300mW以上。300nm～1000nm为可见光～红外光波段，Si材料仅对这个波段的可见光具有较高的吸收，波长较高会透过Si材料，波长较短的电磁波在Si材料中穿透性太差，光生载流子生成较少。激光强度为300mW以上才能具有调制效果。作为优选方式，激光调制器对光纤输出的激光进行强度调制，产生强弱变化的调制激光，调制激光的峰值强度达到50mW/cm2以上以保证获得较大的调制深度，如果激光强度不够，会导致器件调制深度不高，调制性能不明显。调制激光的光斑面积完全覆盖需要调制的太赫兹波束的面积。作为优选方式，光纤4采用与半导体激光器3相匹配的光纤，用于将半导体激光器3和激光调制器5相耦合。本专利技术提出了一种基于SOI(Silicon-on-Insulator，绝缘衬底上硅)衬底上硅基微结构的太赫兹调制器。该结构核心采用由Si-SiO2-Al2O3三层结构层所组成的SOI基底作为该调制器的衬底，用于对调制器调制部分进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，其特征在于从下至上依次包括：底层的Al2O3衬底(12)、SiO2隔离层(11)、硅基微结构(10)、Al2O3钝化层(9)，硅基微结构(10)在SiO2隔离层(11)上周期性排列，每个硅基微结构(10)包括两层正方形Si基台阶结构，从上至下分别为上层Si基台阶(101)和下层Si基台阶(102)，上层Si基台阶(101)和下层Si基台阶(102)的中心对齐，上层Si基台阶(101)的边长小于下层Si基台阶(102)的边长。
【技术特征摘要】
1.一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，其特征在于从下至上依次包括：底层的Al2O3衬底(12)、SiO2隔离层(11)、硅基微结构(10)、Al2O3钝化层(9)，硅基微结构(10)在SiO2隔离层(11)上周期性排列，每个硅基微结构(10)包括两层正方形Si基台阶结构，从上至下分别为上层Si基台阶(101)和下层Si基台阶(102)，上层Si基台阶(101)和下层Si基台阶(102)的中心对齐，上层Si基台阶(101)的边长小于下层Si基台阶(102)的边长。2.根据权利要求1所述的基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，其特征在于：硅基微结构(10)的两层正方形Si基台阶结构都为Si层，Si层电阻率大于3000Ω.cm，两层正方形Si基台阶结构的总厚度为90μm。3.根据权利要求1所述的基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，其特征在于：相邻两个硅基微结构(10)中心的间距为100μm，上层Si基台阶(101)边长66μm、高度为45μm，下层Si基台阶(102)边长为84μm、高度为45μm。4.按权利要求1所述的基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，其特征在于：所述太赫兹调制器对太赫兹波束(7)的反射率在22％以下，最低达到18％。5.权利要求1至4任意一项所述基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：利用电磁仿真软件对所述硅基微结构进行3D建模，模型总厚度为500μm，Si层厚度为90μm，设置好边界条件和求解器后，将两层正方形台阶的边长与台阶高度设置为变量进行扫描，以获得最佳的仿真参数，最终优化得到的最佳的参数为上层Si基台阶边长66μm，高度为45μm；下层Si基台阶边长84μm，高度45μm；步骤二：清洗SOI基片：首先将SOI基片放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗10-15min，然后再使用酒精超声清洗10-15min，最后使用去离子水超声清洗10-15min，清洗后的SOI基片再氮气吹干，烘箱中干燥；步骤三：根据仿真计算得到的硅基微结构尺寸加工掩模版后，首先把SOI基片放入热氧化炉，采用干氧氧化方法生长3μm厚的二氧化硅掩膜层，然后利用半导体光刻工艺和ICP蚀...
【专利技术属性】
技术研发人员：文岐业，张豪，申朝阳，何雨莲，杨青慧，谭为，冯正，张怀武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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