本發(fā)明涉及一種太赫茲石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器，尤其涉及一種利用石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對太赫茲波進(jìn)行有效調(diào)制的設(shè)計。

背景技術(shù)：

太赫茲(terahertz，THz，1THz＝10¹²Hz＝4.1meV)波在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間，頻率范圍從0.3THz-10THz，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)域，在國民經(jīng)濟(jì)以及國家安全等方面有重大的應(yīng)用價值。太赫茲波光子的能量與物質(zhì)材料分子的低頻振動和轉(zhuǎn)動的能量相匹配，其在傳播、反射和吸收等方面與微波和紅外光有顯著的不同，在短程無線通訊、物體成像、生物檢測和天文觀測方面具有重大的應(yīng)用前景。但是由于缺乏有效的太赫茲輻射源、探測器和操控方法，THz波的研究應(yīng)用發(fā)展還受到很大的限制。作為波導(dǎo)器件中的關(guān)鍵元器件，調(diào)制器對于實(shí)現(xiàn)THz波的有效操控，促進(jìn)THz技術(shù)在成像、生物樣品分析和短程無線通信等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的價值意義。

在太赫茲波段，由于波長較長，載流子的吸收非常嚴(yán)重(自由載流子的吸收與波長平方成正比)，對波長的操控束縛也會變得很困難，傳統(tǒng)的微波和介質(zhì)波導(dǎo)技術(shù)都很難得到應(yīng)用。目前太赫茲波段的調(diào)制方法主要有以下幾種：

(1)量子阱調(diào)制器：采用周期性交替生長的半導(dǎo)體量子阱(例如GaAs/AlGaAs)結(jié)構(gòu)，然后通過施加偏置電壓控制量子阱中的載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)對入射THz波的調(diào)制；

(2)光子晶體調(diào)制器：在交替生長的周期性結(jié)構(gòu)中進(jìn)入半導(dǎo)體缺陷層(如GaAs)，然后通過改變半導(dǎo)體中的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)對THz波幅度的調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)制效果好等優(yōu)點(diǎn)；

(3)液晶調(diào)制器：通過電場或者磁場來調(diào)節(jié)控制液晶分子的介電性能來實(shí)現(xiàn)對于入射波的調(diào)制，幅值調(diào)制深度較大，可以達(dá)到75％左右，頻率調(diào)制深度約為6.5％。

不過以上調(diào)制方法都有不足之處，例如量子阱調(diào)制器需要在低溫下工作，使用范圍受到很大限制；光子晶體調(diào)制器的性能主要依賴于半導(dǎo)體層所產(chǎn)生的光生載流子濃度，不利于調(diào)制深度和速度的提高；而液晶調(diào)制器尺寸較厚、調(diào)制速度較慢且頻率調(diào)節(jié)范圍較小(液晶材料在THz波段的雙折射率較低)。

高性能的太赫茲調(diào)制器在很大程度上取決于能否找到對THz波產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁響應(yīng)的合適材料，周期性超材料的出現(xiàn)(超結(jié)構(gòu)，Metamaterials，MMs)可以在很大程度上解決這個難題，其性質(zhì)和功能主要來自單元的幾何結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成材料。超材料結(jié)構(gòu)調(diào)制器具有設(shè)計靈活、性能良好等優(yōu)點(diǎn)，是太赫茲波調(diào)制器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

超材料常見的構(gòu)成材質(zhì)主要有金屬(如Ag、Au)和半導(dǎo)體(如InSb、VO₂)，但是這些材料的電控可調(diào)諧性不是太好、損耗較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對目前太赫茲波調(diào)制器存在的問題，本發(fā)明提供了一種太赫茲石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器、以及所述太赫茲石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的制作方法。

本發(fā)明第一個方面是提供一種太赫茲石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器，包括

——襯底；

——在襯底上生長的摻雜半導(dǎo)體層；

——依次疊加的絕緣層和有源區(qū)層；其中最底部絕緣層在摻雜半導(dǎo)體層上生長，頂部為有源區(qū)層；所述有源區(qū)層為具有為互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)的石墨烯層；

——生長在最頂部有源區(qū)的電極。

本發(fā)明第二個方面是提供一種制作所述太赫茲石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的方法，包括：

——提供襯底；

——在所述襯底上生長摻雜半導(dǎo)體外延層；

——在摻雜半導(dǎo)體外延層上生長絕緣層，絕緣層上生長石墨烯層，然后對石墨烯層進(jìn)行光刻，形成具有互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)的石墨烯有源區(qū)層；然后依次重復(fù)生長絕緣層和石墨烯互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)有源區(qū)層，形成疊加的絕緣層和石墨烯互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)有源區(qū)層；其中最底部絕緣層在摻雜半導(dǎo)體層上生長，頂部為有源區(qū)層；

——在頂層石墨烯互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)有源區(qū)層上蒸鍍金屬，對金屬進(jìn)行刻蝕形成電極。

在本發(fā)明上述內(nèi)容中，每一個有源區(qū)層為一個單層石墨烯層或疊加的多個單層石墨烯層。

其中，所述每一個有源區(qū)層中單層石墨烯的層數(shù)可以相同或不同，并可以分別獨(dú)立地為1個、2個或更多個，如3-5個。

或者，疊加的絕緣層和有源區(qū)層中，有源區(qū)層和絕緣層分別為3-5層。

其中，每一個單層石墨烯層的厚度優(yōu)選為在0.1-0.5nm之間，更優(yōu)選為0.2-0.4mm，如0.22mm、0.25mm、0.28mm、0.3mm、0.34mm、0.38mm等。

在本發(fā)明上述內(nèi)容中，所述每一個有源區(qū)層中的互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)可以相同或不同，并可以分別獨(dú)立地優(yōu)選為矩形結(jié)構(gòu)、十字形結(jié)構(gòu)、工字型結(jié)構(gòu)、開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、以及其他任意已知的互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)中的任意一種或幾種。

本發(fā)明上述內(nèi)容中，所述每一個有源區(qū)層中的互補(bǔ)微結(jié)構(gòu)陣列排布。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述襯底優(yōu)選為柔性高分子材料襯底。其中，所述柔性高分子材料可以是聚酰亞胺，并且可以是縮聚型聚酰亞胺、加聚型聚酰亞胺中的任意一種或幾種，并優(yōu)選為脂肪族、半芳香族和芳香族聚酰亞胺中的任意一種或幾種。

其中，所述襯底厚度優(yōu)選為在0.5-100μm之間，更優(yōu)選為1-50μm之間，更優(yōu)選為2-10μm之間。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述絕緣層材料選自SiO₂、Al₂O₃中的任意一種或幾種。

其中，所述絕緣層厚度優(yōu)選為在1-500nm之間，更優(yōu)選為10-300μm之間，更優(yōu)選為30-100μm之間。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述摻雜半導(dǎo)體層材料優(yōu)選為硅材料。

其中，所述摻雜半導(dǎo)體層的摻雜濃度優(yōu)選為在10¹⁰-10²⁰cm^-3之間，更優(yōu)選為10¹⁴-10¹⁸cm^-3之間，更優(yōu)選為10¹⁵-10¹⁶cm^-3之間。

其中，所述摻雜半導(dǎo)體層厚度優(yōu)選為在0.5-20μm之間，更優(yōu)選為1-10μm之間，更優(yōu)選為2-8μm之間。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述電極為金屬電極，可以是優(yōu)選為銅、金、鉻、銀、鋁中的任意一種或幾種的合金、或組合。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，在摻雜半導(dǎo)體層和有源區(qū)層之間施加外電壓調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述石墨烯的費(fèi)米能級≥0.5eV，更優(yōu)選為≥1eV。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，所述襯底噴涂在硅片上，在形成電機(jī)后，將硅片剝離。

本發(fā)明提供了一種以石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)作為有源區(qū)的太赫茲調(diào)制器、及其制作方法，通過外加偏壓改變石墨烯費(fèi)米能級從而實(shí)現(xiàn)對入射THz波實(shí)現(xiàn)深度調(diào)制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明太赫茲波石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的制作工藝流程示意圖；

圖2為本發(fā)明太赫茲波石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的器件結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖，即幾種常見的石墨烯微結(jié)構(gòu)有源區(qū)結(jié)構(gòu)；

圖3為本發(fā)明太赫茲波石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的原理示意圖；

圖4為本發(fā)明太赫茲波石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的器件結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1，本發(fā)明太赫茲波石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的制作方法如下：

步驟1，制作柔性襯底

以普通Si片作為犧牲層7，通過自旋噴涂(spin coated)的方法將含有塑料柔性襯底1的溶液噴涂在上面，然后在烘箱中烘干30分鐘左右，烘箱中溫度范圍在150-200℃，再采用高溫爐在惰性氣體(或者N₂)的保護(hù)氣氛內(nèi)加熱至300-400℃，形成均勻的柔性襯底薄層。

為降低柔性襯底的影響，其厚度控制在1-10μm左右，最好低于5μm。

步驟2，制作摻雜Si的外延層

通過外延生長方法形成1-10μm厚度的摻雜Si層2，摻雜濃度為2×10¹⁶cm^-3，Si層電導(dǎo)率為1-10Ω·cm，絕緣性較好，以達(dá)到降低損耗的目的。

步驟3，制作絕緣層

采用熱蒸發(fā)的技術(shù)在摻雜外延層Si上形成SiO₂層，作為絕緣層3，厚度在10-300nm之間，最佳厚度為70nm左右。

或者通過原子層沉積技術(shù)在p-Si上形成50nm的Al₂O₃薄層，作為絕緣層3，形成溫度為200℃，然后用蒸餾水洗掉反應(yīng)的先驅(qū)體。

步驟4，制作石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)的有源區(qū)層

首先通過傳統(tǒng)的石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)將整片石墨烯轉(zhuǎn)移到SiO₂絕緣層3上：先把石墨烯轉(zhuǎn)移到聚合物PDMS和/或PMMA上，然后用FeCl₃酸洗除去金屬襯底，再轉(zhuǎn)移到絕緣層上，最后再用醋酸除去聚合物薄層PDMS和/或PMMA。

然后根據(jù)具體設(shè)計要求，采用光刻方法除去多余的石墨烯，從而形成滿足設(shè)計要求的石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)有源區(qū)層4，如圖2給出了幾種常見的石墨烯互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)有源區(qū)結(jié)構(gòu)，可以是矩形結(jié)構(gòu)(a)、十字形結(jié)構(gòu)(b)、工字型結(jié)構(gòu)(d)和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)(c)等，互補(bǔ)型微結(jié)構(gòu)陣列排布，形成共振單元。

參照圖3，為提高石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的調(diào)制深度，調(diào)制器有源區(qū)層4采用多層的石墨烯微結(jié)構(gòu)，總的層數(shù)在3-5層，可以在不增加工藝難度的情況下獲得很高的調(diào)制深度。

參照步驟3和步驟4，重復(fù)生長絕緣層3和有源區(qū)層4，形成一次疊加的絕緣層和有源區(qū)層。將有源區(qū)層清洗干凈。

步驟5，制作電極

在多層石墨烯微結(jié)構(gòu)有源區(qū)結(jié)構(gòu)上蒸鍍形成金屬層，包括Cr(10nm)層5和Au(100nm)層6，然后通過刻蝕的方法出去多余的光刻膠，但是腐蝕速度要精確控制；以避免對石墨烯微結(jié)構(gòu)的光電性能產(chǎn)生明顯的影響。

將制作完成的互補(bǔ)型石墨烯微結(jié)構(gòu)太赫茲調(diào)制器從Si襯底上剝離。

參照圖4，本發(fā)明太赫茲石墨烯互補(bǔ)性微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的原理如下：入射THz波進(jìn)入石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)制器中，其中上電極由Cr(10nm厚)5和Au(100nm厚)6組成，以摻雜Si外延層2作為背電極，石墨烯微結(jié)構(gòu)有源區(qū)4的費(fèi)米能級可以通過外加偏壓來加以調(diào)節(jié)。

如圖4所示，當(dāng)石墨烯的費(fèi)米能級較大時，如1.0eV，石墨烯具有較好的金屬特性，石墨烯微結(jié)構(gòu)的共振特性顯著，透射率較大；反之，石墨烯的費(fèi)米能級較低，其金屬特性不是很明顯，共振特性較弱，透射率較低；同時透射峰的共振位置也會隨著費(fèi)米能級的改變而不同。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。