[发明专利]硅基全介质型电控太赫兹波调控器件及其制备方法

权利要求书

1.一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，包括高阻硅衬底(2)、掺杂硅叉指电极(3)、二氧化钒薄膜(5)，其特征在于：还包括双层圆柱形硅微米结构(1)、二氧化硅纳米氧化层(4)，其中双层圆柱形硅微米结构(1)位于高阻硅衬底(2)的上侧，掺杂硅叉指电极(3)、二氧化硅纳米氧化层(4)、二氧化钒薄膜(5)从上到下依次位于高阻硅衬底(2)的下侧，整个器件不含金属材料和金属结构；高阻硅衬底(2)上侧的双层圆柱形硅微米结构层起到太赫兹波增透作用，高阻硅衬底(2)下侧的二氧化钒薄膜(5)结构层则起到太赫兹波幅度调控作用。

2.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：整个器件中的双层圆柱形硅微米结构(1)、掺杂硅叉指电极(3)、二氧化硅纳米氧化层(4)均是由同一高阻硅衬底(2)通过刻蚀、掺杂、氧化、光刻的标准半导体工艺加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：所述双层圆柱形硅微米结构(1)为按多排多列等间距排列的硅基双层圆柱周期阵列，双层圆柱包括上层的圆柱、上层圆柱下方同心设置的下层圆柱，上层圆柱的直径小于下层圆柱的直径，两层圆柱的直径均≤100微米，两层圆柱的总高度≤100微米。

4.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：硅基双层圆柱形微米结构(1)是通过半导体工艺从高阻硅衬底(2)上直接加工而成，两者属于同一种高阻硅材料。

5.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：所述高阻硅衬底(2)为本征或者高阻半导体Si材料，其电阻率≥3000Ω.cm，厚度在200μm～600μm之间。

6.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：所述掺杂硅叉指电极(3)是通过对高阻硅衬底(2)进行选区掺杂形成的，其导电能力强弱通过控制掺杂浓度来调节，掺杂硅叉指电极(3)的宽度在3μm-10μm之间，厚度在50nm到3μm之间。

7.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：所述二氧化硅纳米氧化层(4)是通过对高阻硅衬底(2)以及掺杂硅叉指电极(3)进行氧化而成，其厚度在50nm到100nm之间。

8.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：所述二氧化钒薄膜(5)厚度为100nm-500nm，相变前后电阻率变化达到3个数量级以上，并且在金属相时的薄膜方阻≤50Ω/口。

9.根据权利要求1所述的一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，其特征在于：在超过450GHz的超宽带太赫兹频段范围内的器件插损≤1.5dB，器件调控深度达到76.5％以上，调控速度大于100Hz。

10.权利要求1至9任意一项所述的硅基全介质型电控太赫兹波调控器件的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：

步骤1、利用电磁仿真软件CST Microwave Studio，建立硅基双层圆柱形微结构单元3D模型，模型总厚度为500μm，设置好边界条件和求解器后，优化微结构中双层圆柱的半径r1，r2，圆柱柱高d1，d2，各双层圆柱之间的距离p，以获得最大的透射率和工作带宽；

步骤2、清洗半导体硅基片：首先将硅基片放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗15min，然后再使用酒精超声清洗15min，最后使用去离子水超声清洗15min，清洗后的硅基片再氮气吹干，烘箱中干燥；

步骤3、根据设计好的微结构尺寸设计并加工掩膜板后，首先把硅基片放入热氧化炉，采用干氧氧化方法生长3μm厚的二氧化硅掩膜层，然后利用半导体光刻工艺和ICP蚀刻技术加工硅衬底，先制作底层大尺寸圆柱，再制作最上层小尺寸圆柱，形成双层阶梯型圆柱微结构；

步骤4、制备掺杂硅叉指电极：首先选用上步骤中生长的SiO₂层做热扩散掺杂的阻挡层，其次利用电磁仿真软件CST Microwave Studio仿真，使得叉指电极对太赫兹波的透射无影响，得到优化后叉指电极线条和线条间隙都为7um，利用光刻技术在阻挡层上制作叉指电极的图形，再干法蚀刻阻挡层形成叉指电极的掺杂沟槽；再使用P作为热扩散源；在预扩散实验时全程通入1L/min氮气流下，用50min将炉内温度升高至850℃，并在此温度下送入基片；15min升至1000℃，在1000℃保持40min，然后在30min内降温至850℃，取出基片，最后使用BOE水浴方法去除掉剩余二氧化硅阻挡层；

步骤5、制备二氧化硅绝缘层：采用干氧氧化的方式，致密性更好；在1L/min氮气流下用50min的时间将炉内的温度升至850℃，并在此温度下送入基片；继续升温，此时改通氧气，流量为1L/min，15min后升至1000℃，保持30min；然后开始降温，30min内使炉内温度降到850℃，取出基片，经测试制备的二氧化硅厚度为50nm；此步骤同时也为上步骤中预扩散后的再扩散，这样制备的掺杂硅叉指电极性能更好，测得电极方阻为4Ω/口；

步骤6、制备二氧化钒薄膜：利用射频磁控溅射方法，由高纯金属钒靶材在磁控溅射系统参数：射频功率180w-220w、工作气压1Pa、氧氩流量比4％-6％、加热温度550℃的条件下，在二氧化硅绝缘层上沉积200nm的二氧化钒薄膜；

步骤7、利用太赫兹时域光谱系统THz-TDS对器件的太赫兹透射性能进行测试，太赫兹波由双层圆柱形微结构一侧入射，器件所加电压由恒压源提供，正负极连接到叉指电极的两端，加到所需电压后，即刻记录THz-TDS系统数据。