全半导体中红外可调频吸收器的制造方法
【专利摘要】一种全半导体中红外可调频吸收器，包括：一n(p)型掺杂半导体层，为矩形；两个第一偏压控制部分，其制作在n(p)型掺杂半导体层相对的两端；一本征半导体介质隔离层，其制作在n(p)型掺杂半导体层的上面，该本征半导体介质隔离层的长度小于两个第一偏压控制部分之间的距离；多个n(p)型掺杂半导体光栅条，形成光栅层，其条宽相同或每两个n(p)型掺杂半导体光栅条为一组，其中一个条宽小于另一个的宽度，该多个n(p)型掺杂半导体光栅条纵向制作在本征半导体介质隔离层的上面，该n(p)型掺杂半导体光栅条激发表面等离激元模式；两个第二偏压控制部分，其制作在本征半导体介质隔离层的上面、n(p)型掺杂半导体光栅条的两端。
【专利说明】
全半导体中红外可调频吸收器
技术领域
[0001]本发明涉及一种全半导体中红外可调频吸收器，尤其是涉及一种可以实现调频工作、全半导体、超薄的亚波长中红外吸收器。【背景技术】
[0002]电磁波谱中，通常将波长范围为2.5-25微米这一波谱区间称为中红外波谱区。中红外又被称为热红外或发射红外，可用于夜间红外扫描成像。此外绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区。中红外频段吸收器可以作为热探测器/发射器的吸收单元，或作为涂层材料以减小电磁波的杂散发射。因此对中红外波段材料性能的研究具有重要意义。
[0003]近年来，基于超材料的完美吸收器蓬勃发展，国内外研究人员提出了许多面型结构，实现偏振无关、多频带、宽带及宽入射角等性能的吸收器。可调吸收器作为研究的热点， 拥有光激发、机械驱动、热调制以及电调制多种实现方式。波士顿大学的K.Fan等人利用硅的光致发光特性，通过调节双开口谐振环的电容效应实现对共振频率的调控。浙江大学的魏兴昌等人利用混合静电偏压调控梯形石墨烯带在THz波段实现了宽带吸收的动态调控。 复旦大学的彭慧胜等人通过调节两层取向碳纳米管膜的夹角，在GHz波段实现对吸波频率的调控。但是这些研究主要集中在微波、太赫兹以及近红外波段，而工作在中红外频段的可调谐吸收器鲜有报道。
[0004]因此急需一种结构简单的可调频的中红外吸收器。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的是提出了一种全半导体中红外可调频吸收器，旨在利用掺杂半导体材料的金属性，在中红外波段实现便于与其他半导体器件集成的、吸收频率可调谐的、结构简单的双频段或者宽带吸收器。
[0006]本发明提供一种全半导体中红外可调频吸收器，包括:
[0007]— n(p)型掺杂半导体层，为矩形；
[0008]两个第一偏压控制部分，其制作在n(p)型掺杂半导体层相对的两端；
[0009]—本征半导体介质隔离层，其制作在n(p)型掺杂半导体层的上面，该本征半导体介质隔离层的长度小于两个第一偏压控制部分之间的距离；
[0010]多个n(p)型掺杂半导体光栅条，形成光栅层，其条宽相同或每两个n(p)型掺杂半导体光栅条为一组，其中一个条宽小于另一个的宽度，该多个n(p)型掺杂半导体光栅条纵向制作在本征半导体介质隔离层的上面，该n(p)型掺杂半导体光栅条激发表面等离激元模式；
[0011]两个第二偏压控制部分，其制作在本征半导体介质隔离层的上面、n(p)型掺杂半导体光栅条的两端。
[0012]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0013]本发明提供的这种全半导体中红外可调频吸收器，结构简单，工艺上全半导体材料更方便与其他中红外半导体器件集成。[〇〇14]本发明提供的这种全半导体中红外可调频吸收器，通过合理的设计上层光栅的结构参数以及调控掺杂半导体材料的掺杂浓度来实现，可以丰富中红外波段双频段吸收器以及宽带吸收器的实现手段。
[0015]本发明提供的这种全半导体中红外可调频吸收器，通过控制注入电流可以快速方便地调节半导体材料的掺杂浓度，进而改变结构的光学响应，对吸收频率进行调控。【附图说明】
[0016]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细说明如后，其中:
[0017]图1为本发明第一实施例的结构示意图；
[0018]图2为图1的平视示意图；[〇〇19]图3为图1的纵向剖面图；
[0020]图4为图1所示结构的吸收谱线图；[0021 ]图5为本发明第二实施例的结构示意图；[〇〇22]图6为图5的平视示意图；[〇〇23]图7为图5的纵向剖面图；[〇〇24]图8为图5所示结构的吸收谱线图。【具体实施方式】 [〇〇25] 第一实施例
[0026]请参阅图1至图3所示，本发明提供一种全半导体中红外可调频吸收器，包括:
[0027]—n(p)型掺杂半导体层103,为矩形，所述的n(p)型掺杂半导体层103的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，作为反射镜使用，所述的n(p)型掺杂半导体层103的材料是通过掺杂实现金属性的半导体材料，第一实施例中所述的n(p)型掺杂半导体层103为n 型掺杂半导体材料(InAs)，厚度大于1微米；
[0028]两个第一偏压控制部分101，其制作在n(p)型掺杂半导体层103相对的两端；
[0029]—本征半导体介质隔离层105,其制作在n(p)型掺杂半导体层103的上面，该本征半导体介质隔离层105的长度小于两个第一偏压控制部分101之间的距离，所述的本征半导体介质隔离层105是满足上下层之间晶格匹配的本征半导体材料，第一实施例中所述的本征半导体介质隔离层105为本征半导体材料(InAs)，其介电常数为12.3,厚度为210-230纳米；
[0030]多个n(p)型掺杂半导体光栅条104,形成光栅层，所述的光栅层为一维光栅、两维光栅或复合光栅结构，用以实现偏振光双通道/宽带共振响应以及非偏振光光学响应，第一实施例中所述多个n(p)型掺杂半导体光栅条104的条宽相同，条宽为390-410纳米，光栅周期为1微米，厚度为210-230纳米，该多个n(p)型掺杂半导体光栅条104纵向制作在本征半导体介质隔离层105的上面，该n(p)型掺杂半导体光栅条104激发表面等离激元模式，实现共振吸收，所述的n(p)型掺杂半导体光栅层104的材料为是通过掺杂实现金属性的半导体材料，第一实施例中所述的n(p)型掺杂半导体光栅层104为n型掺杂半导体材料(InAs);[〇〇31]两个第二偏压控制部分102,其制作在本征半导体介质隔离层105的上面、n(p)型掺杂半导体光栅条104的两端。
[0032]所述的n(p)型掺杂半导体层103的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度， 作为反射镜使用，所述的本征半导体介质隔离层105以及所述的n(p)型掺杂半导体光栅层 104构成典型的类MIM(metal-1nsulator-metal)结构，在垂直入射光的作用下，实现共振吸收。
[0033]本结构在使用时，应该在两个第一偏压控制部分101之间加入电压VI，在两个第二偏压控制部分102之间加入电压V2,实现偏压控制(参阅图2、3)，第一偏压控制部分101和第二偏压控制部分102的正负极分别连接所述的n型掺杂半导体层103以及所述的n型掺杂半导体光栅层104两侧，通过偏压VI和V2控制注入电流，调节所述的n型掺杂半导体层103以及所述的n型掺杂半导体光栅层104的掺杂浓度，从而改变其光学响应，进而改变结构的共振频率，实现可调频的亚波长中红外吸收器。
[0034]图4给出了本发明第一实施例的这种全半导体双通道中红外可调频吸收器在不同的注入电流下，对应所述的n型掺杂半导体层103以及所述的n型掺杂半导体光栅层104的掺杂浓度为~=5￡19、6￡19、7￡19、8￡19、9￡19时的吸收谱线。[〇〇35] 第二实施例
[0036]请参阅图5至图7所示，本发明提供一种全半导体中红外宽带可调频吸收器。本发明的第二实施例与第一实施例的结构基本相同，不同之处在于，其中所述的n(p)型掺杂半导体光栅条104为每两个一组，每组中的一个条宽小于另一个的宽度(参阅图6)，条宽分别为190-210纳米和390-410纳米，光栅周期为2微米;所述的本征半导体介质隔离层105厚度为330-350纳米。
[0037]图8给出了本发明第二实施例的这种全半导体中红外宽带可调频吸收器在n型掺杂半导体层(InAs)以及n型掺杂半导体复合光栅层(InAs)的掺杂浓度为N = 7E19以及N = 9E19时的吸收谱线。
[0038]本发明的目的是基于全半导体材料的生长技术，实现一种结构简单的可调频的中红外吸收器。半导体材料的生长和掺杂经过几十年的发展，已经趋于成熟，通过采用分子束外延技术、有机化合物气象沉积技术等，可以生长出晶格完美的半导体本征材料，另外通过引入掺杂源，可以生长出掺杂浓度超过1E20的材料。
[0039]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种全半导体中红外可调频吸收器，包括:一 n(p)型掺杂半导体层，为矩形；两个第一偏压控制部分，其制作在n(p)型掺杂半导体层相对的两端；一本征半导体介质隔离层，其制作在n(p)型掺杂半导体层的上面，该本征半导体介质 隔离层的长度小于两个第一偏压控制部分之间的距离；多个n(p)型掺杂半导体光栅条，形成光栅层，其条宽相同或每两个n(p)型掺杂半导体 光栅条为一组，其中一个条宽小于另一个的宽度，该多个n(P)型掺杂半导体光栅条纵向制 作在本征半导体介质隔离层的上面，该n(p)型掺杂半导体光栅条激发表面等离激元模式； 两个第二偏压控制部分，其制作在本征半导体介质隔离层的上面、n(p)型掺杂半导体 光栅条的两端。2.根据权利要求1所述的全半导体中红外可调频吸收器，其中所述的n(p)型掺杂半导 体光栅层的材料为是通过掺杂实现金属性的半导体材料。3.根据权利要求2所述的全半导体中红外可调频吸收器，其中所述的光栅层为一维光 栅、两维光栅或复合光栅结构，用以实现偏振光双通道/宽带共振响应以及非偏振光光学响应。4.根据权利要求1所述的全半导体中红外可调频吸收器，其中所述的本征半导体介质 隔离层是满足上下层之间晶格匹配的本征半导体材料。5.根据权利要求1所述的全半导体中红外可调频吸收器，其中所述的n(p)型掺杂半导 体层的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，作为反射镜使用。6.根据权利要求5所述的全半导体中红外可调频吸收器，其中所述的n(p)型掺杂半导 体层的材料是通过掺杂实现金属性的半导体材料。
【文档编号】G02B5/00GK106019432SQ201610544412
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】郑婉华, 王少华, 王宇飞, 祁帆, 郭小杰, 马庆艳
【申请人】中国科学院半导体研究所