[发明专利]一种基于MoS2

说明书

本发明公开了一种基于MoS₂和Si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法，包括半导体Si衬底和Si衬底表面生长的MoS₂层，Si衬底的材料为单面抛光p型掺杂硅，MoS₂层采用磁控溅射法在Si衬底的抛光面生长，形状为垂直形态。通过本发明的技术方案，能够解决现有太赫兹调制器缺乏有效动态调控太赫兹波的材料、器件制备加工工艺复杂和常用调制方法难以实现调制增强太赫兹波透射幅度等问题。

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，尤其涉及一种基于MoS₂和Si复合结构的太赫兹调制器及其调控方法。

背景技术

太赫兹波是指频率范围为O.1-10THz的电磁波，相比于微波和光波，太赫兹波对某些危险品物质具有指纹谱特性、对某些非极性物质具有良好的穿透性以及太赫兹光子能量低、电离辐射弱等特性，因而其应用前景十分广阔，比如可用于材料的光谱表征、安检成像等领域。此外，伴随着5G商业化应用的启动，无线移动通信已经呈现高速宽带化的发展趋势。由毫米波通信向更高的频段开发太赫兹通信已经成为国内外通信研究和产业化应用的热点。太赫兹无线通信拥有传输速率高、方向性好、抗干扰能力强等诸多优点，但是当下限制太赫兹通信普及应用的最关键因素仍是相关器件的不够成熟。近年来，随着太赫兹科学理论和相应技术水平的飞速提升，人们对太赫兹器件的研究也更加深入，太赫兹的应用也日渐增多。在这些器件当中，太赫兹调制器是整套太赫兹通信系统的核心器件之一，合理地开发使用太赫兹调制器将会有效降低太赫兹通信系统的复杂度和成本，因此需要研究太赫兹调制器及相关调制方法来对太赫兹波进行有效的调控

目前常用来调控太赫兹波的方法是使用半导体材料和超材料。半导体材料可以通过改变材料种类，超材料可以人为设计其周期性结构单元的形状、大小从而实现对太赫兹波的功能性调控，包括其振幅，相位和偏振态的调控，例如太赫兹全光调制器，太赫兹开口环谐振器(SRR)等。基于超材料的太赫兹调控器件一般由金属材料或者金属与介质层构成，其功能的实现取决于预先设计的结构参数，在实际应用中无法对太赫兹波实现动态调控。同时超材料的图形结构参数的设计方法较为复杂，在实际制备中对工艺条件有一定要求。除超材料之外，基于半导体材料的太赫兹调控器件一般采用例如Si、Ge、ZnTe和GaP等大块体材料，像Si这样的传统半导体材料较低的迁移率及较慢的自由载流子的复合速度限制了器件的调制深度和调制速率。而且我国半导体产业起步较晚，产业化程度较低，缺乏先进成熟的半导体工艺制造良好的块体材料。

近年来二维材料由于其具有的独特光电性质而受到器件研究领域的广泛关注，常见的二维层状材料有石墨烯、六方氮化硼、磷烯、三卤化铬、过渡金属碳氮化合物 (MXenes)以及过渡金属硫族化合物(TMDCs)等。其中二硫化钼(MoS₂)就是一种典型的过渡金属硫族化合物，其具有的显著特点为块体材料是间接带隙，能带宽度为1.3eV，单层材料为直接带隙，能带宽度为1.8eV。随着材料层数的减少，其能带宽度逐渐增加，最终由间接带隙变为直接带隙。MoS₂的这种带隙可调的特性使得其在可见光以及红外波波段都具有与半导体可比拟的良好的光吸收特性。MoS₂还具有良好的热稳定性，可在有氧气存在350℃和无氧气存在1100℃的条件下使用。此外，MoS₂所具有的二维材料的良好延展性，高载流子迁移率等特点都为实现其在外加场作用下的太赫兹波动态调控提供了一种新方向，即可通过与传统半导体结合形成复合结构对太赫兹波进行调控。

现有的利用MoS₂和传统半导体例如Si、Ge的复合结构已经可实现较高的调制深度和调制带宽。调制结果和使用单一的传统半导体相比，都是太赫兹波的透射幅度随外加泵浦激光功率的增加而减少，这是由于外加泵浦激光直接照射器件表面产生光生载流子，通过改变泵浦激光功率强度可实现对太赫兹波透射振幅大小的动态调控。

发明内容