[发明专利]一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于锑化铟(InSb)条带微结构太赫兹调制器及其制备方法，调制器包括Si衬底，生长在Si衬底上的绝缘层，生长在绝缘层上的基于锑化铟的条带型微结构层，该条带型微结构层为铜‑锑化铟混合条带型微结构或锑化铟‑锑化铟混合条带型微结构。InSb混合条带微结构中明态模式和暗态模式相互干涉形成Fano共振；其共振峰的频率和振幅可以通过使用不同掺杂浓度的锑化铟或者改变外界温度的等方法进行灵活调节。本发明的太赫兹锑化铟混合条带型微结构调制器可实现对入射太赫兹波的有效调制，实现品质因子高于20的Fano共振透射峰，其峰值最高可以达到0.97，调制深度大于80％。

技术领域

本发明属于半导体光电材料与器件技术领域，尤其是涉及一种基于锑化铟条带微结构太赫兹调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹（terahertz, THz，1 THz = 10¹² Hz = 33.3 cm^-1波通常是指频率在0.3THz - 10 THz（波长1 mm - 30 µm）范围内的电磁辐射，其波谱位于微波和红外光之间，在无线通讯、物体成像、生物检测和天文观测等方面表现出巨大的潜力。长期以来，由太赫兹源、波导功能器件和探测器构成的太赫兹通信系统因频段资源丰富、带宽大和保密性好等优点在国民经济、国家安全等众多领域都展现出重大的科研价值。例如，有研究表明在0.4THz波段的单通道THz光子无线传输系统中可以实现超过100 Gb/s的数据速率。近些年随着半导体技术和微纳米加工技术的不断发展，太赫兹辐射源和探测器等器件不断进步完善。但因为太赫兹波的波长较长，载流子对其吸收也很强，所以传统的介质波导和金属波导设计很难对其实现有效的限制。在自然界中也很难找到对太赫兹波产生强烈响应的介质材料，因此对其实现有效操控就显得很困难，工作于太赫兹波段的调制器、滤波器和传感器等可调谐功能器件也就十分匮乏。

超材料（Metamaterials, MMs）的出现有望解决这一难题，其性质和功能主要取决于结构单元形状而非构成材料。在众多的太赫兹调制器（如量子阱调制器，光子晶体调制器，液晶调制器）中，超材料调制器基于独特的电磁性质而发展迅速，对实现太赫兹波振幅、相位和偏振等性质的有效操控具有重要的意义。通过合理设计超材料结构单元及优化结构参数，可以实现对入射波电磁特性的调控。超材料常见的微结构单元主要有开口环、十字型、鱼网型等，构成材质主要包括金属（Ag，Au，Cu）和半导体（如VO₂，InSb）以及近年受到关注的二维半导体材料，如石墨烯（graphene）、黑磷和二硫化钼。超材料微结构设计灵活，易于制作，对太赫兹波响应明显，但是由于欧姆损耗和太赫兹波与超材料结构之间强共振的辐射损耗，导致超材料结构体系的耗散较大，难以获得高品质因子的共振谱线。Fano共振具有低损耗、局域电场强和色散显著等特点，有助于获得高品质因子的谱线。光栅是一种由平行狭缝构成的光学元件，可分为一维光栅，二维光栅，孔阵列结构和颗粒阵列结构。自Wood异常衍射现象被发现，光栅结构因能补偿入射光波矢从而激发表面等离子体共振的特点成为了微波至光学频段的重要研究对象。通过改变光栅周期性结构的材料性质、几何参数、光波入射角度或偏振状态能便捷、有效地控制入射波的透射、反射和吸收共振谱线特性，产生如异常透射增强（Extraordinary transmission）和负折射等有趣的物理现象。