[发明专利]基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及方法

说明书

本发明属于太赫兹功能器件领域，具体提供了一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器及制备方法和测试方法，包括硅衬底、多棱台阵列、棱台上表面的钝化层。本发明中，多棱台阵列能减少激光反射率，提高对激光的利用率；多棱台阵列不会增加光生载流子的横向扩散距离，不会因此而影响太赫兹成像的对比度和分辨率；且能增加对太赫兹波的调控面积。钝化层不但能增加硅基全光控太赫兹调制器内部的载流子寿命，而且还能进一步降低激光反射率，明显地提升太赫兹波的调制效果，其调制深度可达91.2％。该全光控太赫兹调制器在低激光功率下拥有高调制深度，且成本低廉，制作简单。

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，涉及太赫兹成像和通信相关领域中的太赫兹幅度调制器，具体为一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波，波长在3mm-30μm之间。太赫兹波由于具有低能量性、好的相干性、宽带性等许多优良的特性，在无线通信、安检、无损探测、医学成像等方面有着广阔的应用前景。在这些应用中，太赫兹调控技术起着至关重要的作用，在现有的太赫兹调制器件当中，硅基太赫兹调制器由于其制造技术与现有的CMOS工艺兼容，便于制造、集成，是当前太赫兹调控技术研究的热点。

2013年，首都师范大学的张岩教授利用激光泵浦作用本征硅材料，实现了全光控太赫兹波空间调制器。这种空间型调制器可以实现太赫兹波前幅度和相位信息的调制，因此可以用于对太赫兹波束的偏转、聚焦、分束等多种功能。然而，光泵浦半导体硅构成的硅基太赫兹空间调制器虽然具有宽带特性，但是其调制深度较低，一般在50％以内。而且硅片对泵浦激光的反射率较大，对波长在400-1000nm范围内的激光反射率高达40％-60％。较低的激光利用率不但降低了器件的调制深度，反射的激光也会对应用系统带来干扰和噪声。最近的研究表明，在硅片上覆盖特定的薄膜材料，其构成的复合结构可以显著提高太赫兹波的调制深度，这些材料包括石墨烯、MoS₂、CuPc、PVA等等。这些复合结构提高太赫兹波调制深度的原因主要在于薄膜与硅片相作用形成PN结。在光注入条件下，这种硅片-薄膜复合结构使得硅片中产生的电子和空穴经电荷转移过程分别在硅片-薄膜界面处积累，通过降低载流子的复合过程来提高载流子寿命，从而大大提高器件内的有效载流子浓度。但是，这种复合结构并不能有效解决硅基光控太赫兹调制器中泵浦激光利用效率低的问题。同时，这些复合结构在提高载流子寿命的同时，也增加了光生载流子的横向扩散距离，应用于太赫兹波成像时会影响成像的对比度和分辨率。此外，额外异质材料的引入，也增加了薄膜制备的难度，并导致与现有硅基CMOS工艺的不兼容。

目前，以太赫兹波成像技术为代表的太赫兹应用系统急需具有低的激光反射率，大的太赫兹波调制深度，良好的太赫兹成像对比度和分辨率、且与现有CMOS工艺兼容的全光控太赫兹调制器件，但目前尚未见这类器件的相关报道。

发明内容

本发明提供了一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，获得了大的太赫兹波调制深度，优良的太赫兹成像对比度和分辨率，同时有效解决了降低泵浦激光反射的问题，且与CMOS工艺兼容，制造方法简单，成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多棱台阵列的硅基全光控太赫兹波调制器，包括衬底硅、硅表面分布着多棱台阵列，棱台上表面为钝化层。

作为优选方式，钝化层为热氧化二氧化硅薄膜钝化层。

作为优选方式，所述衬底采用高阻硅或者本征硅，电阻率1000Ω*cm，厚度100-500um。

作为优选方式，多棱台阵列包括周期性排列的若干棱台，棱台具有N条棱，N≥4，每个棱台的上表面在底部的投影位于底部的中心。

作为优选方式，所述多棱台阵列的底面边长和棱长大小为微米量级，多棱台阵列由硅片通过化学方法刻蚀形成。