一種基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器。該吸波器由一層高摻雜硅材料作為襯底，頂層為高摻雜硅條帶，中間包裹一層二氧化硅而構成的三層結構。該吸波器基于硅材料通過高摻雜在太赫茲波段實現(xiàn)表面等離子體材料，通過有限元方法模擬計算，設計合理的諧振結構，通過觀察該結構對入射太赫茲信號的反射譜，從而實現(xiàn)對太赫茲波的高效寬帶吸收。具有結構簡單、便于加工、吸收效率高、帶寬相對較寬等優(yōu)點，可廣泛滿足對太赫茲吸收方面應用的要求。
【專利說明】—種基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高摻雜硅作為表面等離子體材料的高效寬帶太赫茲吸波器，屬于高摻雜硅在太赫茲波段應用領域。

【背景技術】
[0002]太赫茲波在電磁波譜中位于微波和紅外光之間，波長通常從30um到3mm，由于其在各個領域，包括時域光譜、無損傳感、生物成像、通訊等方面有著廣泛的潛在應用，近年來一直受到人們的關注和研究。然而隨著太赫茲技術應用的快速發(fā)展，在一些特殊情況下還需要避免受到太赫茲輻射的影響。盡管大多數(shù)介質對太赫茲輻射都或多或少有些損耗，但是它們都不能在很短的距離內完全吸收太赫茲波。因此對于能夠實現(xiàn)高效寬帶的太赫茲吸波器的需求與日俱增，因為這不僅有著重要的學術應用，也有著深刻的軍事意義。
[0003]到目前為止大多數(shù)報道的太赫茲吸波器基本都是基于由兩層金屬與介質隔離層組成的超材料結構吸波器。盡管這些超材料結構吸波器能夠實現(xiàn)高效吸收，但是由于超材料結構單元之間的諧振特性以及金屬對太赫茲波有相對較小的損耗，它們中的大多數(shù)都帶寬相對較窄。目前在光波段實現(xiàn)吸波更流行的辦法是采用金屬表面等離子體納米結構，使用這種結構來提高對光的吸收效率和提高薄膜光伏設備的性能方面已經(jīng)有所研究。但在太赫茲波段，由于作為常用表面等離子體材料的金屬的介電常數(shù)實部絕對值非常大從而不能直接支持表面等離子體，這就限制了表面等離子體在太赫茲吸波方面的應用。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單、易于加工、吸收高效穩(wěn)定、帶寬大、能廣泛應該到實際中的太赫茲波段吸波器。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案為:一種基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于:所述太赫茲吸波器為一層高摻雜硅材料襯底層、一層二氧化硅中間層和一層條帶頂層由下往上依次疊置而成的三層結構，該結構是一維或二維周期性結構，周期為180?240um。
[0006]本技術方案中，可以商用的重摻雜絕緣體娃片(Silicon on insulator)為基礎，通過標準CMOS工藝來制作，包括光刻、反應離子刻蝕及金屬鍍膜技術。本技術方案中的硅材料為η型硅，電子濃度在118CnT3數(shù)量級，其在電子和空穴移動速度方面優(yōu)于P型硅而且電子濃度很容易實現(xiàn)。
[0007]在上述的基于聞慘雜娃材料的聞效寬帶太赫茲吸波器中，所述聞慘雜娃襯底層為高摻雜硅材料制成，厚度為400?600um。厚度優(yōu)選厚度為500um。
[0008]在上述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器中，所述二氧化硅中間層為二氧化硅材料，厚度為15?20um。厚度優(yōu)選值為18um，該二氧化硅材料中的硅為η型硅，電子濃度在118CnT3數(shù)量級，其在電子和空穴移動速度方面優(yōu)于P型硅而且電子濃度很容易實現(xiàn)。
[0009]在上述的基于聞慘雜娃材料的聞效寬帶太赫茲吸波器中，所述條帶頂層為聞慘雜硅材料制成，厚度為8?12um。條帶頂層的厚度優(yōu)選值為10um，其作用是與下方的襯底層形成諧振結構，支持金屬-介質-金屬型(metal-1nsulator-metal)表面等離子體模式，條帶頂層的寬度可根據(jù)所需工作頻率調節(jié)，具有很強的可調性，適用于寬帶吸收。
[0010]在上述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器中，所述條帶頂層為銅材料制成，厚度為0.5um?2um。銅材料在對太赫茲吸波器應用中，對于厚度變化不敏感，其作用是與下方的襯底層形成諧振結構，支持表面等離子體模式。條帶寬度可根據(jù)所需工作頻率調節(jié)，具有很強的可調性，適用于寬帶吸收。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0012](I)諧振結構實現(xiàn)對太赫茲信號的高效吸收，吸收效率接近100%，吸收峰半高寬可達 0.3THZ ；
[0013](2)吸波器裝置采用一維或二維周期性結構，結構簡單緊湊，便于大規(guī)模集成，發(fā)展多元吸波器件，其中一維結構的效果更好；
[0014](3)在同一周期性單元中使用不同寬度高摻雜硅條帶或金屬條帶頂層組合可實現(xiàn)寬頻帶吸收，覆蓋更寬頻帶；
[0015](4)高摻雜硅條帶頂層可使用金屬銅替代，同樣實現(xiàn)高效寬帶吸收，使得加工方式多樣化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明一種基于高摻雜硅材料的高效、寬帶太赫茲吸波器結構單元示意簡圖。
[0017]圖2是本發(fā)明結構周期在200um時不同寬度高摻雜硅條帶頂層的太赫茲波反射
-1'TfeP曰。
[0018]圖3是本發(fā)明結構高摻雜硅條帶頂層寬帶為SOum時不同結構周期下的太赫茲波反射譜。
[0019]圖4是本發(fā)明用金屬銅替代頂層高摻雜硅條帶時的太赫茲波反射譜。

【具體實施方式】
[0020]以下是本發(fā)明的具體實施例。結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0021]參照圖1，本實施例為周期為P的高摻雜硅襯底層I上疊加一層厚度為t的二氧化硅中間層2，上層再疊加一層寬帶為W、厚度為h的條帶頂層3從而構成的三層結構。太赫茲光束垂直入射到結構上面，由于襯底對太赫茲輻射是不透明的，可以看到結構的吸收率能夠直接從反射譜中得到，這樣一種高摻雜硅-二氧化硅-高摻雜硅三層結構類似于光波段的金屬-介質-金屬型結構，此時頂層的高摻雜硅條帶就類似于間隙等離子體諧振器，從而支持間隙表面等離子模式。其中，高摻雜硅襯底層I為高摻雜硅材料制成，其厚度為400?600um，優(yōu)選值為500um ;二氧化硅中間層2為二氧化硅材料，其厚度為15?20um，優(yōu)選值為18um ;高摻雜硅條帶頂層3為高摻雜硅材料制成，厚度為8?12um，優(yōu)選值為10um。上述結構是一維或二維周期性結構，周期為180?240um，可以以商用的重摻雜絕緣體硅片為基礎，通過標準CMOS工藝來制作，包括光刻及反應離子刻蝕技術。本發(fā)明中所述的硅材料為η型娃，電子濃度在118CnT3數(shù)量級，其在電子和空穴移動速度優(yōu)于P型硅而且電子濃度很容易通過摻雜實現(xiàn)。
[0022]圖2是本實施例選用優(yōu)選值，即高摻雜硅襯底層I厚度為500um，二氧化硅中間層2厚度為18um，高摻雜硅條帶頂層3厚度為1um時，通過有限元方法模擬計算得到的結構周期在200um時不同寬度高摻雜硅條帶頂層的太赫茲波反射譜，從圖中可以明顯的看到在低頻和高頻分別各有一個諧振峰。對于低頻處諧振峰，其反射率接近于0，表明這種基于高摻雜硅材料作為表面等離子體材料的結構能夠高效的實現(xiàn)對太赫茲波的吸收，諧振峰的半高寬均在0.3THz左右，表明吸波器結構的有著較高的帶寬。而且此諧振相當依賴于條帶的寬度，條帶越寬諧振頻率越低，表明諧振峰可以很容易地通過條帶寬度進行調整，從而可以實現(xiàn)更高寬頻的吸波器。對于高頻處諧振峰，從諧振屬性和模式分布可以得出在高摻雜硅-二氧化硅-空氣界面由于周期性條帶作為激勵光柵從而形成了表面等離子體，這個現(xiàn)象類似于光波段中著名的Wood反?，F(xiàn)象。當固定周期性條帶的寬帶W為80um，改變結構的周期時，從圖3中可以看出低諧振頻率由于由于一階法布里-珀羅諧振是相同的保持不變，而高諧振頻率隨著周期的增加出現(xiàn)紅移，進一步證實弓丨起高頻諧振的原因。
[0023]除了上述的高效寬帶外，本發(fā)明結構也可以很容易的利用目前已有的加工技術得以實現(xiàn)。在高摻雜的絕緣體硅片(SOI)上只需要一步光刻和一次硅干法刻蝕就可以實現(xiàn)該結構。或者，也可以只利用一層高摻雜硅片，將頂層的高摻雜硅條帶用金屬代替，這個方法只需要光刻和金屬沉積。例如，從圖4中可以看到，當周期P為200um，條帶寬度W為70um，用金屬銅替代頂層高摻雜硅，同樣高效吸收率和寬帶的太赫茲吸波器也可以實現(xiàn)。
[0024]本發(fā)明充分考慮到了器件原理、實際加工的可操作性、結構難易等要求提出了一種基于高摻雜硅作為表面等離子體材料的太赫茲波段吸波結構。其基本原理是:通過控制高摻雜濃度硅材料的摻雜濃度使得其等離子體頻率略高于太赫茲波段，從而該材料相對介電常數(shù)實部在太赫茲波段為負數(shù)，能實現(xiàn)太赫茲波段的表面等離子體模式，同時其虛部比實部更大，正好可以在吸波方面得到很好應用。作為半導體行業(yè)最常用的硅材料，其加工技術得益于漫長的研究歷史以及在互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的發(fā)展，故本結構在太赫茲實際應用中有著重大前景。
[0025]本文中所描述的具體實施例僅僅是對發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于:所述太赫茲吸波器為一層高摻雜娃材料襯底層(I)、一層二氧化娃中間層(2)和一層條帶頂層(3)由下往上依次疊置而成的三層結構，該結構是一維或二維周期性結構，周期為180?240um。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于，所述高摻雜硅襯底層(I)為高摻雜硅材料制成，厚度為400?600um。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于，所述二氧化硅中間層(2)為二氧化硅材料，厚度為15?20um。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于，所述條帶頂層(3)為高摻雜硅材料制成，厚度為8?12um。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于高摻雜硅材料的高效寬帶太赫茲吸波器，其特征在于，所述條帶頂層(3)為銅材料制成，厚度為0.5um?2um。
【文檔編號】H01Q17/00GK104466427SQ201410819788
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權日:2014年12月24日
【發(fā)明者】韓張華, 張裕生 申請人:中國計量學院