[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

说明书

本发明提供一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件及其制备方法，包括双层圆柱形硅微米结构，高阻硅衬底、掺杂硅叉指电极、二氧化硅纳米氧化层以及二氧化钒薄膜，双层圆柱形硅微米结构位于高阻硅衬底的上侧，掺杂硅叉指电极、二氧化硅纳米氧化层、二氧化钒薄膜从上到下依次位于高阻硅衬底的下侧；本发明中选取半导体高阻硅材料作为主要介质材料，获取容易、成本低且半导体加工工艺成熟；这一器件具有很高的太赫兹波透射率以及极低的器件插损，同时具有大的工作带宽；通过在二氧化钒薄膜和掺杂硅叉指电极间引入氧化物绝缘层可有效抑制电流所产生的焦耳热，进而提高器件开关速度，可广泛应用于太赫兹波探测、太赫兹波成像等领域。

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体为一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件及其制备方法。

背景技术

太赫兹波(terahertz wave)是其波段介于毫米波与红外波之间，其频率在0.1-10THz、波长为30μm-3mm范围内的电磁波波谱。具有独特的电磁特性，在电磁波谱中占据着重要位置。近年来太赫兹科学与技术得到迅猛发展，已经在无线通信、探测成像、电子对抗、安全检查、生物医学诊断和环境监测等领域发挥领先优势，具有非常重要的应用价值，对国民经济以及国防建设具有重大意义。在这些应用中，太赫兹成像与通信技术已受到越来越多的人关注，而太赫兹调控器是其系统中必不可少的关键部件，调控器件的优劣直接影响到整个系统的性能好坏。

硅基太赫兹调控器因为能够与现有半导体工艺相兼容，因而受到广泛的关注，例如文献：Wen T,Zhang D,Wen Q,et al.Enhanced Optical Modulation Depth ofTerahertz Waves by Self‐Assembled Monolayer of Plasmonic Gold Nanoparticles[J].Advanced Optical Materials,2016,4.中提出了一种硅基光控太赫兹调控器，但是这些器件中，由于Si衬底的折射率较高，引起非常大的器件损耗，器件插损高达3-5dB，而且由于采用光控技术，与现有高集成度电子器件不相兼容。

二氧化钒(VO₂)是一种室温绝缘体-金属相变(MIT)材料，它在热、光或者电场驱动下发生从绝缘相到金属相的转变，其电导率一般可以有3到5个数量级的变化。在绝缘体相时，二氧化钒对太赫兹波具有优良的透明特性，吸收和反射损耗非常小；而处于金属相时，二氧化钒能够对太赫兹波产生很强的反射以及部分吸收。因此，利用二氧化钒薄膜的相变，可以实现对太赫兹波的幅度调控。然而，采用传统的热和光驱动方法，需要额外的热和光学装置，无法与目前主流的微电子系统相集成。而采用电驱动方式虽然解决了电子系统兼容性问题，但是所采用的金属电极对太赫兹波有强烈的反射作用，显著增加了器件插损。更重要的是，采用常规偏压加载方式驱动VO₂相变，而导致二氧化钒材料中焦耳热的大量积累，由于热耗散过程慢，这限制了其调控速度通常不足1Hz。这些因素，限制了二氧化钒作为有效的太赫兹调控器的实际应用。

因此，研制一种能够与半导体工艺和现有高集成度电子系统相兼容的，并且具有较低的插损、大的调控深度以及高开关速率的太赫兹波调控器件是十分必须的，对于推动现有的太赫兹成像系统等实际应用系统发展具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种硅基全介质型电控太赫兹波调控器件，包括双层圆柱形硅微米结构、高阻硅衬底、掺杂硅叉指电极、二氧化硅纳米氧化层以及二氧化钒薄膜，其中双层圆柱形硅微米结构位于高阻硅衬底的上侧，掺杂硅叉指电极、二氧化硅纳米氧化层、二氧化钒薄膜从上到下依次位于高阻硅衬底的下侧，整个器件不含金属材料和金属结构；高阻硅衬底上侧的双层圆柱形硅微米结构层起到太赫兹波增透作用，高阻硅衬底下侧的二氧化钒薄膜结构层则起到太赫兹波幅度调控作用。