半導體太赫茲波光調制器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光電技術，以及太赫茲波調制和成像技術。
【背景技術】
[0002]太赫茲波是頻率在112赫茲的電磁波，處于遠紅外波段。歷史上由于很難制造太赫茲波源，因此對于該頻段的電磁波的研究十分滯后。近些年來，太赫茲波源的迅速發展，讓太赫茲波技術的研究和運用得到了迅速的發展。經過探討研究，人們發現太赫茲波在分子波譜、太赫茲成像、遙感和雷達、生物醫學、國土安全和通訊中將會有非常重要的運用。目前，太赫茲波的產生、調制和探測還不成熟，還存在許多需要改進的地方，嚴重限制了太赫茲波相關技術的發展。太赫茲波調制器是通過外加激勵信號來改變通過調制器的太赫茲波的強度和相位的器件。對于太赫茲波調制器，重要的技術參數包括調制速度、調制深度和調制的頻帶寬度。現目前太赫茲波的調制是通過改變半導體、石墨烯和其他材料的導電性質或者通過人工超材料來實現的。其中人工超材料的調制速度和深度比較大，可是帶寬較窄，并且生產成本很高，在某些應用中會被限制。而通過改變材料導電性的太赫茲波調制是寬帶調制。材料的導電性的改變和快速恢復可以通過:(I)在半導體中產生光生載流子，(2)通過石墨烯晶體管的門電壓改變石墨烯的費米能級，(3)通過金屬-絕緣體相變改變材料的導電性。后兩種方法都有他們的局限性，所以通過半導體的光生載流子來調制太赫茲波，是一種傳統、簡單、經濟、有效、寬頻段的太赫茲波調制方法。但是這種調制方法需要大功率的激光才能產生較大的調制深度，同時其調制速率現在還相對較低(10kHz到IMHz)間。
[0003]參考文獻:
[0004]1.X.M.Lin，C.M.Sorensen and K.J.Klabunde，J NanopartRes, 2000，2，157 - 164.
[0005]2.T.L.Wen and S.A.Majetichj Acs Nano, 2011, 5, 8868 - 8876.

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在低功率激光下具有較大光調制深度的半導體太赫茲波調制器。
[0007]本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，半導體太赫茲波光調制器，包括半導體，其特征在于，在所述半導體的受光面上分散設置有金屬納米顆粒，所述金屬納米顆粒的粒徑為I?lOOnm，相鄰顆粒間距I?5nm。
[0008]進一步的，所述金屬納米顆粒單層排布于半導體的受光面上。金屬納米顆粒的材質為金或銀；
[0009]優選的，金屬納米顆粒的粒徑為6nm，間距2nm。
[0010]金屬納米顆粒的表面帶有表面活性劑。所述半導體為娃。金屬納米顆粒均勾排布于半導體的受光面上。
[0011]本發明的有益效果是，本發明通過小功率的激光就能讓光生載流子濃度達到飽和值，適用于小功率激光獲得大調制深度的應用。
【附圖說明】
[0012]圖1是半導體太赫茲波調制器的原理圖。其中(a)為本發明，(b)為現有技術。
[0013]圖2(a)是金納米顆粒單層膜在硅片上的掃描電子顯微鏡圖片。
[0014]圖2(b)金納米顆粒單層膜的紫外-可見光光譜圖。
[0015]圖3是靜態調制測試曲線圖，其中(a)，(b), (c)分別為不同調制激光功率下，透射過本征硅的太赫茲波的時域譜、頻域譜和透射率，(d)，(e), (f)分別為在不同激光功率下，透射過金納米顆粒單層膜覆蓋的本征硅的太赫茲波的時域譜、頻域譜和透射率。
[0016]圖4是動態調制測試曲線圖，在10Hz方波激光的激勵下，連續太赫茲波透過(a)本征硅，(b)金納米顆粒單層膜覆蓋的本征硅的響應太赫茲方波。(C)為兩種調制器在不同激光功率照射下的調制深度，(d)為在不同激光功率下，金納米顆粒單層膜對太赫茲波調制深度增強的倍數。
[0017]圖5投射到樣品上為激光點成像照片，其中(a)為采用本征硅，(b)為采用金納米顆粒單層膜覆蓋的本征硅。
[0018]圖像的面積是6毫米X 6毫米。
[0019]圖6為太赫茲光調制系統結構示意圖，系統由太赫茲源、太赫茲探測器、光調制信號和太赫茲調制器組成。
【具體實施方式】
[0020]本發明通過化學法制備了大小均勻的金納米顆粒，并且運用自組裝的方法生成了大規模的金納米顆粒單層膜。將金納米顆粒單層膜鋪在半導體本征硅上(見圖1a)，用于加強本征硅對太赫茲波的光調制作用。其原理如圖1所示。圖1a中為半導體本征硅上鋪有金納米顆粒膜的樣品，圖1b中為未被覆蓋的半導體本征硅。當激光照在兩個樣品上的時候，本征硅會產生光生載流子，但是在一般本征硅中，載流子濃度不是很高，因此需要提高激光功率來增加載流子的濃度(圖1b)。但是對于覆蓋有金納米顆粒單層膜的本征硅(圖1a)，因為金納米顆粒的表面等離子體能夠將激光匯聚，極大地加強納米顆粒近表面的電磁場強度，因此即使在小功率激光的照射下，下面的本征硅也會感受到像被大功率激光照射一樣。這樣在相同激光功率的照射下，被金納米顆粒覆蓋的半導體硅(圖1a)將會產生更多的光生載流子，因此對太赫茲波的調制深度更大。由于當激光功率足夠大的時候，光生載流子的濃度最終會達到飽和，因此對太赫茲波調制深度也將達到一個極限值。這里的金納米顆粒單層膜通過小功率的激光就能讓光生載流子濃度達到飽和值，因此適用于小功率激光獲得大調制深度的應用。
[0021]圖2(a)為金納米顆粒單層膜在本征硅上的掃描電鏡顯微圖片，(b)為相應樣品的紫外-可見光吸收光譜。這里為了便于比較，共用了 2組樣品:第一組樣品為傳統的本征硅片作為太赫茲波調制器，第二組樣品為金納米顆粒單層膜覆蓋的本征硅片作為太赫茲波調制器。分別對這兩組樣品做靜態調制測試(圖3)和動態調制測試(圖4)。對于靜態調制測試，將一個恒定功率的激光照射在樣品的表面，然后將一個太赫茲脈沖透射過樣片，在樣品的另外一面探測透過樣片的太赫茲波脈沖的波形和強度。這套探測太赫茲波波形和強度的裝備叫做太赫茲時域譜(TDS)。做完一個測試以后，改變激光的功率，再做同樣的測試。圖3(a)為第一組樣品的TDS測試，圖3(d)為第二組樣品的TDS測試。可以從圖象上看出，當改變激光功率時，第一組的太赫茲波形隨激光功率的變化不是很大，而第二組樣品太赫茲波的波形和強度隨激光功率的變化很大，特別是在小功率激光的照射下。圖3(a)和(d)分別通過傅立葉變換得到了對應的太赫茲波頻域譜圖3(b)和(e)。在頻域譜中，也可以看出在不同頻率下，第二組樣品對太赫茲波的調制變化更大。通過頻域譜，可以分別計算得到相應的太赫茲波透射率圖譜3(c)和3(f)，透射圖譜也顯示在不同頻率下，穿過第二組樣品的太赫茲波的透