[发明专利]一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器

说明书

本发明公开了一种基于高掺杂半导体的高效宽带太赫兹吸收器，该半导体宽带太赫兹吸收器共由两层结构组成，顶层由一圆环和一圆柱体构成，衬底是正方体，该宽带太赫兹吸收器所用材料均为同等掺杂浓度的高掺杂半导体，其基于硅材料通过高掺杂在太赫兹波段形成了等离子体材料，实现了入射到结构表面的电磁波几乎完全被吸收的特性，本发明拥有结构简单、无需多层材料堆叠、便于加工、极化不敏感、吸收效率高、吸收频带较宽与宽角度吸收等特点，可基本满足对太赫兹吸收方面的应用的要求。

技术领域

本发明属于基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器，属于高掺杂半导体在太赫兹波段应用领域。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱处于微波和红外光之间，波长通常为30μm ~3mm，太赫兹波包含了频率为0.1到10THz之间的电磁波。太赫兹辐射一直被认为是较为安全的辐射，尤其是相较于X射线而言。它可以穿透很多常用的介质材料如纸，皮革，塑料，木头等，同时又因为其相对较低的光子能量而不会对生物体造成明显的伤害，因此太赫兹波被广泛应用于半导体；医药科学；国防安全及信息技术等领域。但是在一些领域还是要避免太赫兹辐射的影响，所以对于能够实现太赫兹高高效宽带吸波器的需求与日俱增，这将有着无与伦比的学术意义。

随着现代信息化战争的发展，太赫兹吸收器的研究引发了越来越广泛的关注，太赫兹吸收器指的是能够将入射的太赫兹波段的电磁波的大部分能量吸收并将这些能量转化其他形式的能量从而达到几乎无反射的一类特殊材料，2014年，W Withayachumnankul等人研究出一种基于高掺杂半导体的宽带太赫兹吸收器，详细叙述了以半导体为基础作为吸收器的优点，尽管已有的关于太赫兹波吸收器的报道都具有良好的吸波性能，但通常只能在单个或多个谐振点处进行窄带吸波，无法达到宽带甚至是超宽带的吸波效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单，易于加工，吸收高效稳定，带宽大的太赫兹宽带吸收器，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是:一种基于高掺杂硅材料的高效宽带太赫兹吸波器，其特征在于：

本技术方案中，以重掺杂的P型硅为基础，掺杂浓度为6.8×10¹⁷cm^-3；所述太赫兹吸波器的结构为一层为正方形高掺杂硅材料衬底层，另加一层圆环与圆柱组成的双层结构，该结构为一维或二维周期性结构，周期为200μm；

在上述的基于高掺杂半导体的高效宽带吸收器结构中，所述正方形衬底厚度为240~270μm，根据参数扫描后，确定的优选厚度为245μm,顶层的圆环与圆柱组成结构厚度为30~60μm，优选厚度为50μm；

本发明的顶层结构的圆环外半径为75μm，内半径为60μm，圆柱半径为35μm，圆环与圆柱之间的间隙为25μm；

本宽带太赫兹吸收器所采用的圆环、圆柱、正方体均为中心对称结构。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本宽带太赫兹吸收器装置以重掺杂P型硅为基础，对比于N型掺杂，P型重掺杂硅本身对太赫兹波有着较高的吸附性，且对吸收峰有展宽作用，从而可以形成宽频的吸收谱;

本发明所述的宽带太赫兹吸收器，顶层结构当太赫兹波段的电磁波垂直入射时，形成等离子体模式，通过改变硅的掺杂浓度可有效改变该结构的吸波性能，最后再通过改变结构尺寸，厚度，晶格周期，增加本吸收器的宽带吸收率，优选方案，所述的宽带吸收器的吸收在90%以上的频带宽度达到1.2THz，最大吸收率高达99.996%;

本发明单元结构采用平面下的四倍对称结构，这种结构可以吸收任意极化角度的电磁波；

本发明还具有宽入射角的特点，在入射角为50°时，仍然保持着宽带高效的吸收特性；