基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及系统和方法与流程

本发明属于太赫兹技术与应用领域，涉及太赫兹成像系统及相关领域的太赫兹幅度调制器件，具体为一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于soi上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。

背景技术：

太赫兹指的是频率范围在0.1thz到10thz，波长从0.03mm到3mm的范围内的电磁波。相比于x射线，太赫兹波可以很好的穿透很多非极性材料及介电材料，可以对不透明物体进行透视成像；太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏特(mev)量级，小于各种化学键的键能，从而无法引起各种有害的电离反应；同时，由于水对太赫兹有很强的吸收效果，使得太赫兹辐射无法穿透人体或其他生物的皮肤，这为太赫兹波在安检领域作为x射线的补充与替代打下了基础。

对于光控太赫兹调制器而言，其调制信号来源于外加的激励激光，当入射激光的光子能量大于硅的禁带宽度时，硅内部的基态电子吸收光子所携带的能量而跃迁至激发态，形成载流子，称为“光生载流子”，这一过程称为”光掺杂“，这种作用会导致器件中非平衡载流子浓度的增大，进而导致加激光前后，器件电导率发生变化，加激光后电导率提高，太赫兹波穿过时的衰减增强，穿过器件透射的太赫兹波的幅值降低，从而起到调制的作用。

传统的光控太赫兹调制器存在三个主要问题，其一是太赫兹波插入损耗过高，传统高阻硅太赫兹调制器对太赫兹波的反射高达30％，这在目前太赫兹辐射源功率普遍较低，太赫兹探测器灵敏度相对不高的情况下，是一种极大的损失，2014年，yanpeng、xiaofeizang等人制备出一种基于双层掺杂硅光栅结构的太赫兹完美吸收器，通过光栅阵列来激发气隙模式共振，经过一系列的参数优化，最终达到对太赫兹波95％的吸收率，即对太赫兹波反射率只有5％，有效的解决了太赫兹波传输中的插入损耗问题；其二是调制深度问题，当前传统硅基光控太赫兹幅度调制器的调制深度相对较低，难以满足当前太赫兹成像系统的要求；其三是载流子扩散问题，光控太赫兹调制器的调制激光入射到调制器表面时，产生的光生载流子会扩散到调制激光信号周围，产生较大的相应区域，这不利于太赫兹成像精度的提高。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于soi上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器，从下至上依次包括：底层的al2o3衬底12、sio2隔离层11、硅基微结构10、al2o3钝化层9，硅基微结构10在sio2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形si基台阶结构，从上至下分别为上层si基台阶101和下层si基台阶102，上层si基台阶101和下层si基台阶102的中心对齐，上层si基台阶101的边长小于下层si基台阶102的边长。

作为优选方式，硅基微结构10的两层正方形si基台阶结构都为si层，si层电阻率大于3000ω.cm，两层正方形si基台阶结构的总厚度为90μm。只有电阻率高于3000ω.cm的高阻硅，才能使器件受光照后产生明显的电导率变化。总厚度为90μm是仿真结果最优时的尺寸。

作为优选方式，相邻两个硅基微结构10中心的间距为100μm，上层si基台阶101边长66μm、高度为45μm，下层si基台阶102边长为84μm、高度为45μm。所述尺寸是仿真结果最优时的尺寸。

作为优选方式，所述太赫兹调制器8表面运用原子层沉积(ald)的方式镀上一层厚度为20～30nm的al2o3薄膜作为钝化层。

作为优选方式，所述太赫兹调制器8对太赫兹波束7的反射率在22％以下，最低达到18％。

作为优选方式，所述太赫兹调制器8对太赫兹波束7的调制深度在1200mw的808nm激光照射下达到64.5％。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用电磁仿真软件对所述硅基微结构进行3d建模，模型总厚度为500μm，si层厚度为90μm，设置好边界条件和求解器后，将两层正方形台阶的边长与台阶高度设置为变量进行扫描，以获得最佳的仿真参数，最终优化得到的最佳的参数为上层si基台阶边长66μm，高度为45μm；下层si基台阶边长84μm，高度45μm；

步骤二：清洗soi基片：首先将soi基片放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗10-15min，然后再使用酒精超声清洗10-15min，最后使用去离子水超声清洗10-15min，清洗后的soi基片再氮气吹干，烘箱中干燥；

步骤三：根据仿真计算得到的硅基微结构尺寸加工掩模版后，首先把soi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蚀刻方法对soi衬底上的si衬底进行深加工，先刻蚀si层留下下层si基台阶，再刻蚀制备出上层si基台阶，形成具有双层正方形台阶的周期型硅基微结构。

步骤四：使用原子层沉积方法，在调制器件表面镀上一层20-30nm的al2o3薄膜作为钝化层。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于soi上硅基微结构的光控太赫兹调制系统，包括：半导体激光器3、激光调制器5、太赫兹调制器8、太赫兹辐射源1、太赫兹探测器2，半导体激光器3通过光纤4连接激光调制器5，激光调制器5发出的激光波束6入射到太赫兹调制器8表面作为激励激光，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2位于太赫兹调制器的左右两侧，太赫兹辐射源1发出的太赫兹波束7垂直透过太赫兹调制器8后入射到太赫兹探测器2中，太赫兹波束7入射方向为太赫兹调制器8带有硅基微结构10的一侧，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2在水平方向对齐；

太赫兹调制器从下至上依次包括：底层的al2o3衬底12、sio2隔离层11、硅基微结构10、al2o3钝化层9，硅基微结构10在sio2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形si基台阶结构，从上至下分别为上层si基台阶101和下层si基台阶102，上层si基台阶101和下层si基台阶102的中心对齐，上层si基台阶101的边长小于下层si基台阶102的边长。

作为优选方式，所述半导体激光器3的输出波长为300nm～1000nm，激光强度为300mw以上。300nm～1000nm为可见光～红外光波段，si材料仅对这个波段的可见光具有较高的吸收，波长较高会透过si材料，波长较短的电磁波在si材料中穿透性太差，光生载流子生成较少。激光强度为300mw以上才能具有调制效果。

作为优选方式，激光调制器对光纤输出的激光进行强度调制，产生强弱变化的调制激光，调制激光的峰值强度达到50mw/cm²以上以保证获得较大的调制深度，如果激光强度不够，会导致器件调制深度不高，调制性能不明显。调制激光的光斑面积完全覆盖需要调制的太赫兹波束的面积。

作为优选方式，光纤4采用与半导体激光器3相匹配的光纤，用于将半导体激光器3和激光调制器5相耦合。

本发明提出了一种基于soi(silicon-on-insulator，绝缘衬底上硅)衬底上硅基微结构的太赫兹调制器。该结构核心采用由si-sio2-al2o3三层结构层所组成的soi基底作为该调制器的衬底，用于对调制器调制部分进行隔离，以减小光生载流子的扩散；利用半导体光刻和icp蚀刻技术对soi衬底中的si层进行深加工，将si层刻蚀成具有双层正方形台阶的周期型阵列结构，能够对太赫兹波的透射起到增强的作用，将制备好的基片运用原子层沉积的方法镀上al2o3钝化层，可以起到隔绝空气，钝化si表面，最终提高太赫兹调制器调制深度的作用；该结构通过外加激励激光的方式对太赫兹波进行幅度调制，其调制过程具有插入损耗低，工作带宽大，空间调制分辨率高，调制深度大等优点，可以广泛的应用于太赫兹波成像等技术领域。

从工作原理上讲，该结构主要有三方面的功能：首先，该结构制备所基于的衬底是由si-sio2-al2o3三层结构层所组成的soi衬底，该结构层的用于调制作用的硅基部分生长在sio2绝缘衬底上，因此在调制器接受激励激光照射产生光生载流子的过程中，产生的光生载流子无法向衬底绝缘层扩散，更无法通过衬底绝缘层对载流子进行横向扩散，起到减小载流子扩散的作用，同时，si-sio2-al2o3结构相对于传统硅基调制器又能有效的减小太赫兹插入损耗；其次，该结构的对太赫兹起调制作用的si层经过一系列物理化学刻蚀过程后，制备成具有双层正方形台阶结构的硅基微结构，这种台阶每层台阶的高度相同，边长不同，由此导致该硅基微结构层间si填充率具有一个梯次变化的界面，这种梯次变化的填充率在宏观上表现为该微结构表面层间对太赫兹波等效折射率的梯次变化，从而使得太赫兹传播过程中，由低折射率介质向高折射率介质的高反射率降低为折射率相差较小的多层介质中依次传播的低反射率，以此来降低微结构器件的太赫兹反射率，进一步微结构器件的插入损耗；最后，在硅基微结构制备完成后，在调制器表面最后又镀上一层al2o3钝化层，钝化层的存在可以隔绝硅基微结构与空气相接触，从而减少硅表面缺陷，延迟载流子复合时间，增加载流子浓度，起到提高器件对太赫兹波调制深度的作用，另一方面，al2o3层还可以阻止硅表面自然氧化以及激光作用引起的热氧化过程，大大延长太赫兹调制器的使用寿命。

与现有传统硅基太赫兹光控调制器相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器对于0.4thz～0.85thz的太赫兹波具有22％以下的反射率，在0.82thz处达到最低18％，可以显著降低调制器件对太赫兹波的反射率，提高太赫兹波的利用率。

(2)本发明提供的一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器在空间光调制过程中，能够显著降低载流子扩散效应，太赫兹成像扩散区域相较于传统硅基太赫兹调制器减小，有效提高成像系统中的分辨率21.9％。

(3)本发明提供的一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器所采用的具有si-sio2-al2o3三层结构的soi衬底，能够有效的增强太赫兹波在调制器件中的透射率，减小器件对太赫兹波调制的插入损耗。

(4)本发明提供的一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器所采用的al2o3钝化层，对硅基微结构的硅能够起到钝化的作用，能够有效提高太赫兹调制器件的调制深度，还可以提高太赫兹调制器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例3的基于soi上硅基微结构的光控太赫兹调制系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器的主视图；

图3是本发明实施例1的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器的俯视图；

图4为本发明实施例1的硅基微结构减小载流子扩散、提高太赫兹光控成像分辨率原理图。

图5是本发明实施例1的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器的制备流程图。

图6是本发明实施例1中硅基微结构扫描电子显微镜(sem)图。

图7是传统高阻si太赫兹调制器(hr-si)与本发明实施例1的soi衬底上硅基微结构太赫兹调制器(microstructure)在未施加激光调制信号时的thz透射率。

图8是本发明实施例1的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器在不同调制激光信号功率强度下的调制深度变化曲线。

图9是传统高阻si太赫兹调制器和本发明实施例1的基于soi衬底上硅基微结构的太赫兹调制器的相同调制深度(40％)下的空间光成像效果对比图。其中图9(1)为传统高阻硅太赫兹调制器，图9(2)为基于soi衬底上硅基微结构的太赫兹调制器。

其中1为太赫兹辐射源，2为太赫兹探测器，3为半导体激光器，4为光纤，5为激光调制器，6为激光波束，7为太赫兹波束，8为太赫兹调制器，9为al2o3钝化层，10为硅基微结构，101为上层si基台阶，102为下层si基台阶，11为sio2隔离层，12为al2o3衬底，13为光生载流子生成区域。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

如图2和图3所示，一种基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器，从下至上依次包括：底层的al2o3衬底12、sio2隔离层11、硅基微结构10、al2o3钝化层9，硅基微结构10在sio2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形si基台阶结构，从上至下分别为上层si基台阶101和下层si基台阶102，上层si基台阶101和下层si基台阶102的中心对齐，上层si基台阶101的边长小于下层si基台阶102的边长。

本实施例中，硅基微结构10的两层正方形si基台阶结构都为si层，si层电阻率大于3000ω.cm，两层正方形si基台阶结构的总厚度为90μm。

相邻两个硅基微结构10中心的间距为100μm，上层si基台阶101边长66μm、高度为45μm，下层si基台阶102边长为84μm、高度为45μm。

所述太赫兹调制器8表面运用原子层沉积方法镀上一层厚度为20～30nm的al2o3薄膜作为al2o3钝化层9。

如图7所示为传统高阻硅基太赫兹幅度调制器(hr-si)与本实施例所制备的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器样品(microstructure)在太赫兹时域光谱测试系统上测得的不加激光调制时的反射谱，从图中可以看出，在0.4thz～0.85thz频率范围内，高阻硅对太赫兹波反射有30％～33％范围内，而本发明实施例中soi衬底上硅基微结构对于太赫兹波的反射在22％以下，最低达到18％，反射率相对高阻硅有明显的降低效果。

如图8所示为本实施例基于soi衬底上硅基微结构的太赫兹幅度调制器在不同激光强度下调制深度曲线。从图中可以看出，本发明中所制备的调制器在1200mw的808nm波长激光强度下调制深度最高达到64.5％。

如图9所示为本实施例所使用基于soi衬底上硅基微结构的太赫兹调制器与传统高阻硅调制器对太赫兹空间光调制成像测试。测试中，先固定好样品与激光源，将光斑调整到直径2mm大小，再将太赫兹波束集中到0.2mm直径大小的范围内，通过对移动样品架平移台来控制太赫兹波束集中照射的点，来对样品对太赫兹波的透射幅度进行逐点扫描测试，形成样品对太赫兹透射的空间光谱,其中图9(1)为传统高阻硅太赫兹调制器，图9(2)为本发明实施例所使用的基于soi衬底上硅基微结构的太赫兹调制器。从图中可以看出，在控制变量为相同的激光照射范围与相同调制深度下，硅基微结构中载流子扩散范围直径为2.46mm，相比高阻硅上载流子扩散范围直径3.15mm减小了21.9％左右，形成的成像图案与调制激光光斑的大小更为接近，说明soi衬底上硅基微结构具有降低载流子扩散，提高成像精度的作用。

综上所述，本实施例所制备的基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器对太赫兹波的调制深度在1200mw的808nm激光照射下可以达到64.5％；在0.4thz-0.85thz频率范围内不加激光对太赫兹有22％以下，最低18％的反射率，相较于高阻硅30％的反射率有明显降低，在空间光调制成像中的成像结果与激励激光的范围相接近，相较于传统硅基调制器成像像素点减小了21.9％。

实施例2

如图5所示，实施例1中的所述基于soi上硅基微结构的太赫兹调制器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用电磁仿真软件cstmicrowavestudio对所述硅基微结构进行3d建模，模型总厚度为500μm，si层厚度为90μm，设置好边界条件和求解器后，将两层正方形台阶的边长与台阶高度设置为变量进行扫描，以获得最佳的仿真参数，最终优化得到的最佳的参数为上层si基台阶边长66μm，高度为45μm；下层si基台阶边长84μm，高度45μm；

步骤二：清洗soi基片：首先将soi基片放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗10-15min，然后再使用酒精超声清洗10-15min，最后使用去离子水超声清洗10-15min，清洗后的soi基片再氮气吹干，烘箱中干燥；

步骤三：根据仿真计算得到的硅基微结构尺寸加工掩模版后，首先把soi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蚀刻方法对soi衬底上的si衬底进行深加工，先刻蚀si层留下下层si基台阶，再刻蚀制备出上层si基台阶，形成具有双层正方形台阶的周期型硅基微结构。

步骤四：使用原子层沉积方法，在调制器件表面镀上一层20-30nm的al2o3薄膜作为钝化层。

实施例3

如图1所示，一种基于soi上硅基微结构的光控太赫兹调制系统，包括：半导体激光器3、激光调制器5、太赫兹调制器8、太赫兹辐射源1、太赫兹探测器2，半导体激光器3通过光纤4连接激光调制器5，激光调制器5发出的激光波束6入射到太赫兹调制器8表面作为激励激光，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2位于太赫兹调制器的左右两侧，太赫兹辐射源1发出的太赫兹波束7垂直透过太赫兹调制器8后入射到太赫兹探测器2中，太赫兹波束7入射方向为太赫兹调制器8带有硅基微结构10的一侧，太赫兹辐射源1和太赫兹探测器2在水平方向对齐；

太赫兹调制器从下至上依次包括：底层的al2o3衬底12、sio2隔离层11、硅基微结构10、al2o3钝化层9，硅基微结构10在sio2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形si基台阶结构，从上至下分别为上层si基台阶101和下层si基台阶102，上层si基台阶101和下层si基台阶102的中心对齐，上层si基台阶101的边长小于下层si基台阶102的边长。

激光入射到本发明实施例soi衬底上硅基微结构表面时，在表面激发光生载流子，由于硅基微结构底层绝缘层的存在，隔绝了载流子在硅基微结构底部的扩散，抑制了载流子的扩散。

本实施例中，所述半导体激光器3的输出波长为300nm～1000nm，激光强度为300mw以上。300nm～1000nm为可见光～红外光波段，si材料仅对这个波段的可见光具有较高的吸收，波长较高会透过si材料，波长较短在si材料中穿透性太差，光生载流子生成较少。激光强度为300mw以上才能具有调制效果。

本实施例中，激光调制器5对光纤输出的激光进行强度调制，产生强弱变化的调制激光，调制激光的峰值强度达到50mw/cm²以上以保证获得较大的调制深度，如果激光强度不够，会导致器件调制深度不高，调制区分度不高。调制激光的光斑面积完全覆盖需要调制的太赫兹波束的面积。

本实施例中，光纤4采用与半导体激光器3相匹配的光纤，用于将半导体激光器3和激光调制器5相耦合。

下面分别详细说明一下上述调制系统的测试过程：

采用透射式太赫兹时域光谱系统(thz-tds)，太赫兹波由飞秒激光泵浦光电导天线产生，垂直于硅基微结构表面入射到样品表面，透射波由光电导天线接收。具体操作步骤如下：

步骤一：打开太赫兹时域光谱(tds)测试设备及其操作软件，并等待设备的tds峰峰值示数稳定；

步骤二：调节太赫兹发射器的位置，将其与事先准备好的样品架进行对准，并保存此时的tds数据(空气的tds谱)作为参考数据；将需要测试的太赫兹调制器置于样品架上，保存样品的tds数据；

步骤三：通过傅里叶转换获得频域光谱和太赫兹波反射谱，并利用origin等数据处理软件绘制成测试图。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。