CN110398793B - 一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，以正方体为衬底层，光栅层为一圆环与圆柱组成的设计图样，圆环内套有圆柱，两层结构紧密贴合，衬底层为重掺杂的N型硅，衬底层的厚度为300μm，周期为200μm，掺杂浓度为2.91×1018cm‑3。本发明还公开了其制备方法，首先，清洗抛光硅片衬底，吹干，在硅片表面上旋涂一层光刻胶层，并进行烘烤，将掩膜版置于光刻胶上；对光刻胶进行曝光，显影后得到周期性的结构图案，最后，通过反应离子刻蚀裸露的硅表面，利用有机溶剂去除剩余光刻胶，即可。该全介质双带高效太赫兹吸收器结构简单，不需多层材料堆叠，易集成的，且具有吸收效率高，光可调，灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹吸收器技术领域，具体涉及一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，还涉该光可调双带太赫兹吸收器的制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波(0.1THz-10THz)是位于微波和远红外线之间的电磁波，因其特有的性质，在传感、成像、通讯等方面有着广泛的应用价值。近年来，随着太赫兹技术的发展，太赫兹波的吸收逐渐成为了研究热点。
完美吸收器现在已经广泛应用于热探测器、微测辐射计、频谱成像***。近几年微波、太赫兹、红外波段的完美吸收器相继被设计与制造。并且通过不同的谐振环结构制造出单带、双带、三带和多带吸收器，然而，大部分的完美吸收器目前都采用金属-电介质-金属的结构，尽管这些吸收器能够实现高效吸收，但其制作工艺的难度与金属的不稳定性限制了其的应用领域。相比较而言，基于半导体的高效吸收器，因半导体对温度的稳定性，它们可以避免在金属***中产生的焦耳热的现象，且相较于金属而言，半导体在传输电磁波时可以避免金属层的色散吸收和能量损耗，目前针对于基于半导体的吸收器大多数为宽带吸收器，但是对于窄带吸收器在作为传感器拥有更高的灵敏度，在生物医药检测上具有更大的优势，所以基于全介质的太赫兹频段的窄带完美吸收器具有极高的研究价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，解决了现有太赫兹吸收器灵敏度低、吸收效率低的问题。
本发明的另一目的是提供上述基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，以正方体为衬底层，顶层为光栅层，光栅层为一圆环与圆柱组成的设计图样，圆环内套有圆柱，两层结构紧密贴合。
本发明的特点还在于，
衬底层为重掺杂的N型硅，衬底层的厚度为300μm，周期为200μm，掺杂浓度为2.91×1018cm-3，对应的电导率为76.9S/m。
吸收器的顶层厚度为50μm，圆环外半径为90μm，内半径为75μm，圆柱半径为55μm，圆环与圆柱之间形成15μm宽的环型空隙。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，清洗抛光硅片衬底，之后将硅片用氮气吹干；
步骤2，在经步骤1后得到的硅片表面上旋涂一层光刻胶层，并进行烘烤，之后将掩膜版置于光刻胶上；
步骤3，对光刻胶进行曝光，显影后得到周期性的结构图案；
步骤4，通过反应离子刻蚀裸露的硅表面，刻蚀厚度为50μm，之后利用有机溶剂去除剩余光刻胶，得到周期性的半导体结构，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器。
本发明另一方案的特点还在于，
步骤2中，光刻胶旋涂时的转速为4000rad/30s，旋涂厚度为4μm。
步骤2中，烘烤温度为100℃，烘烤时间为2min。
步骤3中，光刻胶在10mJ/cm2的光密度下进行曝光，曝光时长为3～5s，且显影时间为40～45s。
步骤4中，采用的刻蚀反应气体为C4F8与SF6的混合气体；C4F8与SF6气体的流量分别为190sccm和450sccm。
步骤4中，有机溶剂为丙酮、甲醇、丁酮或乙醇中的一种或几种。
本发明的有益效果是，
该全介质双带高效太赫兹吸收器结构简单，不需多层材料堆叠，易集成的，且具有吸收效率高，光可调，灵敏度高等特点，可用于太赫兹波的收集以及对生物医药检测等应用领域。
附图说明
图1(a)是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的结构示意图；
图1(b)是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的平面示意图；
图2是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的显微镜照片图；
图3是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的实物图；
图4是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器THz波垂直入射时的吸收与反射谱线；
图5是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器在光照条件下对应与不同光密度的吸收特性示意图；
图6是本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，结构如图1(a)、图1(b)及图2所示，以正方体为衬底层1，顶层为光栅层，光栅层为一圆环2与圆柱3组成的设计图样，圆环2内套有圆柱3，两层结构紧密贴合；衬底层1为重掺杂的N型硅，衬底层1的厚度为300μm，周期为200μm，掺杂浓度为2.91×1018cm-3，对应的电导率为76.9S/m；N型硅在电子和空穴移动速度方面优于P型硅，且电子掺杂浓度易实现；
吸收器的顶层厚度为50μm，圆环2外半径为90μm，内半径为75μm，圆柱3半径为55μm，圆环2与圆柱3之间形成15μm宽的环型空隙；顶层所用材料为与衬底同为同等浓度的N型硅。
本发明的光可调双带太赫兹吸收器，在太赫兹波段的电磁波入射到顶层结构时，在0.95THz和1.92THz处达到超过99％的吸收率，达到了高效吸收的条件，两个吸收峰主要来源于顶层结构和一部分衬底层。
本发明的光可调双带太赫兹吸收器，可以通过光激励改变半导体的载流子浓度，进而改变吸收器的吸收特性，达到光可调谐的效果。
本发明一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，清洗抛光硅片衬底，之后将硅片用氮气吹干；
步骤2，在经步骤1后得到的硅片表面上旋涂一层光刻胶层，并进行烘烤，之后将掩膜版置于光刻胶上；
光刻胶旋涂时的转速为4000rad/30s，旋涂厚度为4μm；
烘烤温度为100℃，烘烤时间为2min，以去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性降低流动性，提高光刻胶的均匀性及曝光图形质量；
步骤3，对光刻胶进行曝光，显影后得到周期性的结构图案；
光刻胶在10mJ/cm2的光密度下进行曝光，曝光时长为3～5s，且显影时间为40～45s；
步骤4，通过反应离子刻蚀裸露的硅表面，刻蚀厚度为50μm，之后利用有机溶剂去除剩余光刻胶，得到周期性的半导体结构，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器；
采用的刻蚀反应气体为C4F8与SF6的混合气体；
C4F8与SF6气体的流量分别为190sccm和450sccm；
有机溶剂为丙酮、甲醇、丁酮或乙醇中的一种或几种。
实施例
本发明是基于高掺杂N型硅构成周期为200μm的结构，其实物图，如图3所示，其中正方体1为衬底，厚度为300μm，在其上叠加一层厚度为50μm的由同等掺杂浓度的圆环2与圆柱3组成的光栅层，其中圆环2的外半径为90μm，内半径为70μm，圆柱3的半径为55μm，由图2可得，顶层的高掺杂硅结构类似于一个等离子谐振器，支持表面等离子模式。当太赫兹波垂直入射到结构上时，可以激发结构表面等离子体激元(SPPs)，产生局域表面等离子体谐振，增强了对电磁波的约束，同时由于结构对太赫兹辐射是不透明的，结构的吸收率能够直接从反射谱中得到。
从图4所显示的反射与吸收谱可以得出，本发明得到的为基于全介质的双窄带吸收，其中两个谐振峰分别在0.96THz与1.92THz处，且两个谐振峰都达到了高于99％的吸收。
如图5所示，当入射光能量密度从0μJ/cm2增长到10000μJ/cm2时，两个对应的频率均发生蓝移，其中对于频率点在1.92THz的吸收峰的影响效果较为明显，吸收效率明显降低，该结果证明了设计的吸收器可以实现光可调特性。
如图6所示，本发明提供了该双带太赫兹吸收器的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，清洗单面抛光的晶向为100的硅衬底，并进行干燥处理；
在清洗时，先采用丙酮浸泡衬底，在进行超声清洗10min，取出衬底后，再放入无水乙醇中超声清洗10min，最后用等离子水进行冲洗后用氮气进行干燥处理；
步骤2，在硅表面上旋涂一层光刻胶层，并进行烘烤，之后将掩膜版置于光刻胶上；
采用AZ6130型号的胶进行旋涂，其中旋涂速度为4000转/30s，旋涂厚度为4μm，涂完胶后，放置在100℃下进行烘烤3min；
步骤3，对光刻胶进行曝光，显影后得到光刻胶的结构图形；
光刻胶在10mJ/cm2的光密度下进行曝光，曝光时长为3s，且显影时间为40s；
步骤4，通过反应离子刻蚀裸露的硅表面，之后利用丙酮中进行超声清洗，去除剩余光刻胶，得到周期性的半导体结构，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器；
采用的刻蚀反应气体为C4F8与SF6的混合气体；
C4F8与SF6气体的流量分别为190sccm和450sccm。
本发明考虑到了器件原理，实际加工的可操作性，结构难易等要求提出一种全介质双带光可调太赫兹吸收器及其制作方法。其原理是通过光照控制掺杂硅的掺杂浓度后改变结构吸收特性达到可调谐的功能。本结构采用半导体行业中较为常见的硅材料，其加工技术成熟，制作流程简单，并且本发明实现了全介质吸收器的窄带吸收，大大的提高了该器件应用于传感器的灵敏度，在生物医药农业检测中拥有很大的研究潜力。
Claims (5)
1.一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器，其特征在于，以正方体为衬底层(1)，顶层为光栅层，光栅层为一圆环(2)与圆柱(3)组成的设计图样，圆环(2)内套有圆柱(3)，两层结构紧密贴合；所述衬底层(1)为重掺杂的N型硅，所述衬底层(1)的厚度为300μm，周期为200μm，掺杂浓度为2.91×1018cm-3，对应的电导率为76.9S/m；吸收器的顶层厚度为50μm，圆环(2)外半径为90μm，内半径为75μm，圆柱(3)半径为55μm，圆环(2)与圆柱(3)之间形成15μm宽的环型空隙。
2.一种如权利要求1所述的基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，清洗抛光硅片衬底，之后将硅片用氮气吹干；
步骤2，在经步骤1后得到的硅片表面上旋涂一层光刻胶层，并进行烘烤，之后将掩膜版置于光刻胶上；
步骤3，对光刻胶进行曝光，显影后得到周期性的结构图案；光刻胶在10mJ/cm2的光密度下进行曝光，曝光时长为3～5s，且显影时间为40～45s；
步骤4，通过反应离子刻蚀裸露的硅表面，刻蚀厚度为50μm，之后利用有机溶剂去除剩余光刻胶，得到周期性的半导体结构，即得到宽带可调谐太赫兹波吸收器；
采用的刻蚀反应气体为C4F8与SF6的混合气体；C4F8与SF6气体的流量分别为190sccm和450sccm。
3.根据权利要求2所述的一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，光刻胶旋涂时的转速为4000rad/30s，旋涂厚度为4μm。
4.根据权利要求2所述的一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，烘烤温度为100℃，烘烤时间为2min。
5.根据权利要求2所述的一种基于全介质的光可调双带太赫兹吸收器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，有机溶剂为丙酮、甲醇、丁酮或乙醇中的一种或几种。
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Application publication date: 20191101 Assignee: Wang Yue Assignor: XI'AN University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2022980005923 Denomination of invention: An optical tunable dual band terahertz absorber based on all dielectric and its fabrication method Granted publication date: 20210525 License type: Exclusive License Record date: 20220519 |
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