一种基于MoS2和Si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法与流程

专利2022-05-09  88


一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法
技术领域
1.本发明属于太赫兹应用技术领域,尤其涉及一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法。


背景技术:

2.太赫兹波是指频率范围为o.1

10thz的电磁波,相比于微波和光波,太赫兹波对某些危险品物质具有指纹谱特性、对某些非极性物质具有良好的穿透性以及太赫兹光子能量低、电离辐射弱等特性,因而其应用前景十分广阔,比如可用于材料的光谱表征、安检成像等领域。此外,伴随着5g商业化应用的启动,无线移动通信已经呈现高速宽带化的发展趋势。由毫米波通信向更高的频段开发太赫兹通信已经成为国内外通信研究和产业化应用的热点。太赫兹无线通信拥有传输速率高、方向性好、抗干扰能力强等诸多优点,但是当下限制太赫兹通信普及应用的最关键因素仍是相关器件的不够成熟。近年来,随着太赫兹科学理论和相应技术水平的飞速提升,人们对太赫兹器件的研究也更加深入,太赫兹的应用也日渐增多。在这些器件当中,太赫兹调制器是整套太赫兹通信系统的核心器件之一,合理地开发使用太赫兹调制器将会有效降低太赫兹通信系统的复杂度和成本,因此需要研究太赫兹调制器及相关调制方法来对太赫兹波进行有效的调控
3.目前常用来调控太赫兹波的方法是使用半导体材料和超材料。半导体材料可以通过改变材料种类,超材料可以人为设计其周期性结构单元的形状、大小从而实现对太赫兹波的功能性调控,包括其振幅,相位和偏振态的调控,例如太赫兹全光调制器,太赫兹开口环谐振器(srr)等。基于超材料的太赫兹调控器件一般由金属材料或者金属与介质层构成,其功能的实现取决于预先设计的结构参数,在实际应用中无法对太赫兹波实现动态调控。同时超材料的图形结构参数的设计方法较为复杂,在实际制备中对工艺条件有一定要求。除超材料之外,基于半导体材料的太赫兹调控器件一般采用例如si、ge、znte和gap等大块体材料,像si这样的传统半导体材料较低的迁移率及较慢的自由载流子的复合速度限制了器件的调制深度和调制速率。而且我国半导体产业起步较晚,产业化程度较低,缺乏先进成熟的半导体工艺制造良好的块体材料。
4.近年来二维材料由于其具有的独特光电性质而受到器件研究领域的广泛关注,常见的二维层状材料有石墨烯、六方氮化硼、磷烯、三卤化铬、过渡金属碳氮化合物 (mxenes)以及过渡金属硫族化合物(tmdcs)等。其中二硫化钼(mos2)就是一种典型的过渡金属硫族化合物,其具有的显著特点为块体材料是间接带隙,能带宽度为1.3ev,单层材料为直接带隙,能带宽度为1.8ev。随着材料层数的减少,其能带宽度逐渐增加,最终由间接带隙变为直接带隙。mos2的这种带隙可调的特性使得其在可见光以及红外波波段都具有与半导体可比拟的良好的光吸收特性。mos2还具有良好的热稳定性,可在有氧气存在350℃和无氧气存在1100℃的条件下使用。此外,mos2所具有的二维材料的良好延展性,高载流子迁移率等特点都为实现其在外加场作用下的太赫兹波动态调控提供了一种新方向,即可通过与传统半导体结合形成复合结构对太赫兹波进行调控。
5.现有的利用mos2和传统半导体例如si、ge的复合结构已经可实现较高的调制深度和调制带宽。调制结果和使用单一的传统半导体相比,都是太赫兹波的透射幅度随外加泵浦激光功率的增加而减少,这是由于外加泵浦激光直接照射器件表面产生光生载流子,通过改变泵浦激光功率强度可实现对太赫兹波透射振幅大小的动态调控。


技术实现要素:

6.针对现有太赫兹调制器缺乏有效动态调控太赫兹波的材料、器件制备加工工艺复杂和常用调制方法难以实现调制增强太赫兹波透射幅度等问题,本发明提供一种高灵敏度宽带的mos2和si复合结构太赫兹调制器及其调控方法,同时提供该调制器的制备方法。本发明的具体技术方案如下:
7.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,包括半导体si衬底和si衬底表面生长的mos2层。
8.进一步地,所述si衬底的材料为单面抛光p型掺杂硅。
9.进一步地,所述mos2层采用磁控溅射法在si衬底的抛光面生长,形状为垂直形态。
10.进一步地,所述si衬底的电阻率为300kω

320kω,所述mos2层的厚度为 40nm

50nm。
11.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器的调控方法,所述调控方法包括以下步骤:
12.s1:采用太赫兹时域光谱系统即thz

tds并配有波长为808nm的连续泵浦激光作为调制光源;
13.s2:利用前后两片铁片将太赫兹调制器固定于中间;
14.s3:改变连续泵浦激光照射太赫兹调制器的位置和强度,实现对太赫兹波透射幅度的调制:
15.当连续泵浦激光只照射在铁片时,即只对太赫兹调制器提供加热作用,此时太赫兹波的透射幅度随外加连续泵浦激光功率增加而增加;
16.当连续泵浦激光照射在太赫兹调制器时,即对太赫兹调制器同时提供加热作用和光照作用,太赫兹波的透射幅度随外加泵浦激光功率增加而减小;在0.3—1.6thz 范围内,太赫兹调制器随外加连续泵浦激光功率改变都具有调制作用,表明太赫兹调制器具有宽带调制特性。
17.本发明的有益效果在于:
18.1.本发明的调制器所用衬底为p型掺杂si,与mos2形成异质结后在加热和光照非平衡状态下产生的载流子数目更多,可明显调制太赫兹波的透射强度。
19.2.本发明利用磁控溅射法大面积制造了调制器中具有垂直结构的mos2层,其结构可有效导通si衬底和mos2层,可以使光生载流子在垂直于衬底平面的方向上快速分离和传输。
20.3.本发明的太赫兹调制器制备工艺简单,器件调制方法简单易实现,在25℃到 160℃的温度范围内都可实现对太赫兹波透射幅度的动态调节。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,可以根据这些附图获得其他的附图。其中:
22.图1为本发明制备的太赫兹调制器在808nm连续泵浦激光加热调制下的太赫兹波透射幅度随激光功率变化曲线;
23.图2为单独si衬底在808nm连续泵浦激光加热调制下的太赫兹波透射幅度随激光功率变化曲线;
24.图3为本发明制备的太赫兹调制器在808nm连续泵浦激光泵浦调制下的太赫兹波透射幅度随激光功率变化曲线;
25.图4为单独si衬底在808nm连续泵浦激光泵浦调制下的太赫兹波透射幅度随激光功率变化曲线。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
28.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,包括半导体si衬底和si衬底表面生长的mos2层。
29.较佳地,si衬底的材料为单面抛光p型掺杂硅。
30.较佳地,mos2层采用磁控溅射法在si衬底的抛光面生长,形状为垂直形态。
31.较佳地,si衬底的电阻率为300kω

320kω,mos2层的厚度为50nm。
32.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器的制备方法,包括以下步骤:
33.s1:清洗si衬底,根据标准清洁技术清洁si衬底以去除si表面的sio2层和有机杂质;
34.s2:制备过程中,使用mos2(99.998%)作为溅射源,将反应室抽真空至1.0
ꢀ×
10
‑5pa,然后将si衬底升温至500℃,并保持25sccm的流速和1.0pa的压力吹入氩气;
35.s3:添加50w的溅射功率保持沉积速率在2.0nm min
‑1,沉积时间25

30分钟后,制备出40

50nm厚的垂直形态的mos2纳米片。
36.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器的调控方法,包括以下步骤:
37.step1:采用太赫兹时域光谱系统即thz

tds并配有波长为808nm的连续泵浦激光作为调制光源;
38.step2:利用前后两片铁片将太赫兹调制器固定于中间;
39.step3:改变连续泵浦激光照射太赫兹调制器的位置和强度,实现对太赫兹波透射幅度的调制:
40.当连续泵浦激光只照射在铁片时,即只对太赫兹调制器提供加热作用,此时太赫兹波的透射幅度随外加激光功率增加而增加;
41.当连续泵浦激光照射在太赫兹调制器时,即对太赫兹调制器同时提供加热作用和光照作用,太赫兹波的透射幅度随外加激光功率增加而减小;在0.3—1.6thz范围内,太赫兹调制器随外加激光功率改变都具有调制作用,表明太赫兹调制器具有宽带调制特性。
42.为了方便理解本发明的上述技术方案,以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
43.实施例1
44.制备mos2和si复合结构的太赫兹调制器,包括以下步骤:
45.s1:清洗si衬底,根据标准清洁技术清洁si衬底以去除si表面的sio2层和有机杂质;
46.s2:制备过程中,使用mos2(99.998%)作为溅射源,将反应室抽真空至1.0
ꢀ×
10
‑5pa,然后将si衬底升温至500℃,并保持25sccm的流速和1.0pa的压力吹入氩气;
47.s3:添加50w的溅射功率保持沉积速率在2.0nm min
‑1,沉积时间30分钟后制备出50nm厚的垂直形态的mos2纳米片。
48.实施例2
49.采用实施例1制备的太赫兹调制器和单独si衬底进行加热调制太赫兹波的对比测试。
50.图1为实施例1制备的太赫兹调制器在不同功率连续泵浦激光加热调制下的性能对比测试曲线,图2为单独si衬底在不同功率连续泵浦激光加热调制下的性能对比测试曲线。从图1可以看出太赫兹波透射幅度在不同功率加热调制下逐渐增加。图2 中太赫兹波透射幅度随功率的变化趋势与图1一致。表明由于掺杂si衬底本身在加热条件下由半导体向金属态转变,引起晶格振动对载流子的散射增加,因此电导率下降,太赫兹波透射增加。此外,和图2相比,图1中太赫兹波透射幅度在相同加热条件下增加更强更快,表明本发明的基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器具有在加热条件下快速增强太赫兹波透射的作用。
51.实施例3
52.采用实施例1制备的mos2/si太赫兹调制器和单独si衬底进行连续泵浦激光泵浦调制太赫兹波的对比测试。
53.图3为实施例1制备的太赫兹调制器在不同功率连续泵浦激光泵浦调制下的性能对比测试曲线,图4为单独si衬底在不同功率连续泵浦激光泵浦调制下的性能对比测试曲线。测试得到太赫兹时域图谱,从图3可以看出,太赫兹波透射幅度随着激光功率增大而减小,其结果与图4相比,随着外加功率增大,相同功率条件下的太赫兹波透射幅度增加。
54.表明在改变泵浦功率条件下,本发明的基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器和纯si相比具有调制增强太赫兹波透射的作用。原因是连续激光照射纯si衬底:泵浦效应占主导,此时有大量光生载流子产生,纯si衬底的电导率增加,其对太赫兹波的吸收和反射均增强,因此太赫兹波的透射幅度减弱;连续激光照射本发明的基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器:非平衡光生载流子同时产生于异质结两侧的mos2层和纯si衬底,达到平衡态时异质结两侧的自由载流子数目减少,这是因为垂直结构的mos2更加有利于异质结两侧的自由载流子的传输和复合,因此本发明的基于mos2和si复合结构的调制器的电导率和纯si
相比下降,太赫兹波透射幅度增强。
55.以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征:
1.一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,其特征在于,包括半导体si衬底和si衬底表面生长的mos2层。2.根据权利要求1所述的一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,其特征在于,所述si衬底的材料为单面抛光p型掺杂硅。3.根据权利要求1或2所述的一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,其特征在于,所述mos2层采用磁控溅射法在si衬底的抛光面生长,形状为垂直形态。4.根据权利要求1或2所述的一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器,其特征在于,所述si衬底的电阻率为300kω

320kω,所述mos2层的厚度为40nm

50nm。5.根据权利要求1或2所述的一种基于mos2和si复合结构的太赫兹调制器的调控方法,其特征在于,所述调控方法包括以下步骤:s1:采用太赫兹时域光谱系统即thz

tds并配有波长为808nm的连续泵浦激光作为调制光源;s2:利用前后两片铁片将太赫兹调制器固定于中间;s3:改变连续泵浦激光照射太赫兹调制器的位置和强度,实现对太赫兹波透射幅度的调制:当连续泵浦激光只照射在铁片时,即只对太赫兹调制器提供加热作用,此时太赫兹波的透射幅度随外加连续泵浦激光功率增加而增加;当连续泵浦激光照射在太赫兹调制器时,即对太赫兹调制器同时提供加热作用和光照作用,太赫兹波的透射幅度随外加泵浦激光功率增加而减小;在0.3—1.6thz范围内,太赫兹调制器随外加连续泵浦激光功率改变都具有调制作用,表明太赫兹调制器具有宽带调制特性。
技术总结
本发明公开了一种基于MoS2和Si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法,包括半导体Si衬底和Si衬底表面生长的MoS2层,Si衬底的材料为单面抛光p型掺杂硅,MoS2层采用磁控溅射法在Si衬底的抛光面生长,形状为垂直形态。通过本发明的技术方案,能够解决现有太赫兹调制器缺乏有效动态调控太赫兹波的材料、器件制备加工工艺复杂和常用调制方法难以实现调制增强太赫兹波透射幅度等问题。赫兹波透射幅度等问题。赫兹波透射幅度等问题。


技术研发人员:吴晓君 郝思博 程伊城 周江平
受保护的技术使用者:北京航空航天大学
技术研发日:2021.03.03
技术公布日:2021/6/29

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