MOSFET中近零介电常数的产生和表面等离激元模式特性

发布时间：2020-08-07 22:32

【摘要】：近零折射率(ENZ)材料和结构由于具有极强的电磁场局域特性,有可能给光学非线性、光学传感等领域的研究带来新的活力。若是在表面等离激元模式中引入ENZ,那么不仅可以拥有表面等离激元(SPP)模式特殊的光学性质,还可以利用ENZ的特性实现电磁场局域的进一步增强。目前实现ENZ的方案往往工作频段受限,且大都不具备可调谐的特性。针对这两个问题以及为实现电子与光子集成的整合,本文提出利用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构在半导体中产生ENZ区域,进一步增强金属-氧化物界面支持的SPP模式的局域特性,同时利用外加电压对反型沟道中电子浓度和介电常数分布的控制作用实现电磁场的二维限制和调控。其主要研究工作与成果如下:(1)研究了线性掺杂Si三层平板内近零介电常数的产生及其所支持的电磁模式特性,研究结果表明,当过渡区(介电常数渐变的区域)介电常数存在过零界面时,过渡区内存在一个泄漏模式,在介电常数发生渐变的方向上电磁场局限在ENZ区域附近,且介电常数渐变的斜率越大,局域特性越好。(2)研究了MOSFET结构反型沟道内的电子浓度以及介电常数分布情况,分析了氧化物层厚度、源漏极之间的距离、栅极电压和源漏极电压对电子浓度分布的影响,结果表明MOSFET结构能够有效地提高电子浓度,并且可以同时在x方向和y方向获得渐变的电子浓度和介电常数分布,ENZ波长范围扩展到~0.79μm-~25μm。(3)对反型工作模式下的MOSFET结构进行了电磁模式分析,结果表明形成ENZ区域时MOSFET中支持的电磁模式本质上是传统二维SPP和ENZ区域内支持的泄漏模式的混合;分析了栅极电压和源漏极电压对该电磁模式场分布的调控作用,并对其局域特性进行了定量分析,结果表明当MOSFET结构内存在ENZ区域时,所得混合电磁模式的模式面积更小,且在近红外波段传播距离可达几十甚至上百μm。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
【图文】：

图 1-1 材料的分类相同时，普通材料与 ENZ 材料内电磁的电磁特性仍然可由麦克斯韦方程方程组中法拉第定律和安培定律变 场强度， 为介电常数， 为磁导率，用了各向同性材料中的物质方程，

波频率相同时，普通材料与 ENZ 材料内电磁波波长料内的电磁特性仍然可由麦克斯韦方程表征[8克斯韦方程组中法拉第定律和安培定律变换到 为磁场强度， 为介电常数， 为磁导率， 表还应用了各向同性材料中的物质方程，即：中，当介电常数 时，有 ， 解耦，同时由于电磁波的相速度 度趋近于无穷大，因此在 ENZ 材料内其相位率，波长会被拉长，如图 1-2 所示。相对于真 ， 为真空中介电常数， 为介质介电常数） ）内，波长被显著拉长，这就意味着在

实现了时间变化（与频率 f 相关）与空间变化（与波长 相关Z 材料与普通介质材料界面附近，斯涅尔定律[9]: 其中 和 分别为两个介质的折射率， 和 分别为入射角和出射常数 时，材料的折射率 也近似为零，电磁波的传输情的特点。图 1-3 和 1-4 分别给出了普通介质内光路情况和当光从 E材料时光路情况的对比以及普通介质内光路情况和当光从普通材料时光路情况的对比。当光从 ENZ 材料出射到一般介质时情况如图 ， ，所以只有出射角 满足 条件的光才能出射介质入射到 ENZ 材料内时，如图 1-4 所示，由于 ， 入射角 满足 这个条件时，入射光才能进入 ENZ 材料内，而 ）的入射光都将被全反射，此时满足入射条件的光其透射角是任意

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