基于新型半导体的太赫兹波调制技术及其传感应用

发布时间：2020-09-12 13:52

　　太赫兹波科学与技术是近20年发展起来的新型学科,由于它具有瞬态性、相干性、低能性、强穿透性等许多独特的性质,在军事通信、生物医疗、安全检测等领域具有非常广泛的应用,是目前国内外研究的热点。近年来,得益于太赫兹技术水平的不断提升,太赫兹源和太赫兹探测器的相关理论和技术已比较成熟。而太赫兹功能器件作为太赫兹应用系统的核心,其性能受限于传统材料在太赫兹波段较弱的响应。高性能太赫兹功能器件的缺乏,阻碍了太赫兹技术的实际应用。因此,太赫兹功能器件是继太赫兹源和太赫兹探测器之后最亟待解决的关键技术之一。其中,太赫兹调制器是太赫兹通信、成像等多种应用系统的核心器件,因而受到广大科研人员的密切关注。目前的太赫兹调制器件面临着诸如调制深度较小、调制带宽较窄、调制速率较慢且不易于实际操作等问题。基于电光控制的新型半导体石墨烯和硅基的混合结构对太赫兹波的响应显著,解决了传统材料对太赫兹波响应较弱的问题。利用其与太赫兹波强烈的相互作用,能够有效提升太赫兹调制器件的性能,进而促进太赫兹相关领域的发展。此外,借助新型半导体对太赫兹波高效的调制效果,可将其应用到太赫兹特异性传感中的频谱调谐中来。在太赫兹特异性传感系统中,通过调控太赫兹光谱,使频谱谐振峰的频率落在被测物的特征吸收峰频段,由于特定物质的吸收会导致频谱相应的变化,从而实现物质的特异性识别。太赫兹特异性传感技术作为一种新兴的传感方式,具有简便的操作流程、较快的响应速度、较高的传感灵敏度,在物质识别领域有极大的应用潜力。然而,目前针对基于新型半导体的太赫兹特异性传感技术的研究还处于起始阶段,仅涉及少量的研究内容,其相关理论技术还有待研究人员对其做大量的探索。基于以上背景,本文对基于新型半导体的太赫兹调制技术及其在物质特异性传感上的应用作了详细的研究。利用太赫兹波与物质相互作用、场效应管、半导体击穿等理论,在自建太赫兹时域光谱系统上进行了相关分析。开展的主要工作如下:(1)对单层石墨烯太赫兹调制器件调制性能过低的情况作了改进,提出利用石墨烯和太赫兹多次相互作用来提升调制性能的方法。首先,建立了脉冲太赫兹波以及连续单频太赫兹波与石墨烯多次相互作用的理论模型。在理论模型基础上结合相关实验研究了调制器件参数和调制深度的关系,得到的实验测得结果与理论模型良好吻合。借助于太赫兹波和单层石墨烯多次相互作用,我们所设计的调制器的调制深度、调制带宽均优于以往相同构型的器件,其中调制带宽大于1 THz、最大脉冲调制深度为90.93%。此外,我们还理论预测了太赫兹调制器件的单频调制性能,所设计的调制器的最大单频调制深度达到75%。(2)提出一种基于软击穿的氧化物/半导体的高性能太赫兹调制器。首先,建立了软击穿状态下硅中载流子注入的理论模型,并且通过实验对该模型作了详细的验证。接下来在实验上系统研究了太赫兹波调制深度对偏置电流的依赖特性。同时,还测量了软击穿状态下光泵浦对该器件调制性能的影响。借助于软击穿状态下超强的载流子注入,我们所设计调制器的调制深度、调制带宽均得到明显提升。特别是该调制器件的最大强度调制深度超过以往所有研究结果,达到99.9999%。(3)设计了一种基于石墨烯超结构的太赫兹特异性传感器。利用双洛伦兹z1合振动模型分析了传感器与太赫兹波相互作用所引起的等离子体诱导透明(PIT)现象的产生机理。同时,分析了PIT效应对应折射率传感的性能,针对这些性能作了结构优化。最后选取苯甲酸作为传感物质,首次分析了PIT现象应用于特异性传感的效果。借助于PIT现象对太赫兹波超强的束缚能力,相比于传统金属超材料传感器,我们所设计的传感器的灵敏度提升了约一个量级,达到6.75 X 103 nm/RIU。此外,该传感器对苯甲酸的特异性超灵敏传感的极限小于6.35 μg/cm2。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441.4
【部分图文】：

示意图,太赫兹波,电磁频谱,示意图

１．１课题研究背景及意义逡逑目前所研宄太赫兹（ＴＨｚ，邋１邋ＴＨｚ＝邋１０１２Ｈｚ）辐射在多数情况下是指频率在逡逑０．１－１０邋ＴＨｚ邋（波长在３０微米－３毫米）范围内的电磁波频段。图１－１描述了邋ＴＨｚ逡逑波在电磁波谱中具体频段Ｗ。从图中可以看到，其电磁频率属于高频毫米波和低逡逑频红外波之间的过渡频段。逡逑Ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｒａｄｉａｔｉｏｎ逡逑１少邋１０７逦Ｗ０邋１０＂邋１０１２邋１０丨３邋１＃邋ｉｄ５邋１０１６邋１０１７邋１０丨８邋１０１９邋１０２０逡逑ｗｍ逡逑Ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋Ｒａｄｉｏ－邋ａｎｄ邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ邋ＴＨｚ邋Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋￥邋Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ邋Ｘ－ｒａｙｓ邋ａｎｄ邋ｙ逡逑ＴＶ－ｗａｖｅｓ逦５逡逑Ｗａｖ（ｃｒｊ！ｎ９ｔｈ邋１0３邋１０２邋１０１邋ｉｏ°邋１０＂１邋ｉ0ｒ２邋ｉ0＇３１０＾邋ｉ0－５邋ｉ0ｒ６邋ｉｃｒ７邋ｉｏ￣８邋ｉｏ－９邋ｉ0＇１０ｉｏ＊ｎ逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｒ邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑＾逦Ｊ逦Ｊ逡逑Ｖ逦ｒ邋＾邋ｊ逦ｖ逡逑▲邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ逦Ｏｐｔｉｃｓ逡逑Ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ邋ｔｅｒａｈｅｒｔｚ邋ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ逡逑１邋ＴＨｚ邋１邋ｐｓ邋0？邋３３邋ｃｍ－１邋ｇ邋０．３邋ｍｍ邋＜■＞邋４８邋Ｋ邋４．１邋ｍｅＶ逡逑图１－１太赫兹波段在电磁频谱中示意图。逡逑由于相关科学技术的缺乏，太赫兹波的产生和探测很难便捷的实现。因此，逡逑在很长的一段时间内，我们不能将太赫兹这一富含利用价值的频段有效开发。近逡逑年来随着电子科学技术、光电子科学和材料科学的发展

调制器,功率密度,入射光

从以上分析可以看出，研制性能优越的太赫兹调制器是ＴＨｚ波相关技术良好发逡逑展的关键。逡逑目前太赫兹调控技术可采用电控、光控、温控等方式。涵盖了半导体、非线逡逑性材料、液晶材料、石墨烯、超表面等多种内容【２６】。逡逑基于半导体的全光控太赫兹波调制是ＴＨｚ波调制的基本技术之一。光控调逡逑制方式如下：一束激光照射至半导体上，在激光穿透深度区域内产生光生载流子，逡逑通过改变入射激光光强来改变光生载流子浓度，从而实现对ＴＨｚ波的调制。２００６逡逑年，Ｗ．邋Ｊ．邋Ｐａｄｉｌｌａ［２７］采用５０邋ｆｓ－８００邋ｎｍ激光脉冲照射半绝缘砷化镓上开口谐振环逡逑电磁超结构。在１邋ＨＪ／ｃｍ２和２邋ｐＪ／ｃｍ２的光量照射时，频率为０．５６邋ＴＨｚ左右的透逡逑射率分别增长了邋５０％和７０％。逡逑２０１６邋年，Ｅｍｍａ邋Ｐｉｃｋｗｅｌｌ－ＭａｃＰｈｅｒｓｏｎ［２８］等人提出了一种新的邋ＴＨｚ邋调制器，逡逑该调制器采取全反射的倏逝波与导电界面相结合的方式，以提高ＴＨｚ光的衰减逡逑效率。这种方法可以实现接近１００％的调制。在该项工作中，利用泵浦强度为４７５逡逑ｍＷ／ｃｍ２的ＬＥＤ阵列在硅片上产生载流子，在０．１邋ＴＨｚ－０．８邋ＴＨｚ的宽频率范围内逡逑实现了最高达９９．９％的调制深度。逡逑ｆａ）逦ＰｕｍＤｉｎａ邋ｌｉａｈｔ逦ｆｂ）邋ｉ00ｕ？邋■＂＂…丨丨邋１逦．逦一－：逦ｎ逡逑

调制器,调制深度,异质结,偏压

逦第１章绪论逦逡逑相比于全光控的方式，全电控制的太赫兹调制器具有较快的开关速率以及较逡逑方便的调制方式，因此具有较强的吸引力。和激光掺杂增加载流子数量的方法类逡逑似，全电控方式通过电控半导体来实现载流子的注入和耗尽。近年来基于半导体逡逑异质结结构的太赫兹波调制器取得了很好的调制效果。逡逑２００４邋年，Ｔ．邋Ｋｌｅｉｎｅ－Ｏｓｔｍａｎｎ［２９］等人提出了一种基于邋ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ邋的邋ＨＥＭＴ逡逑结构的太赫兹波调制器，如图１－３。调制是通过负的偏置电压来降低二维电子气逡逑体结构中的电子密度来实现，因此随着偏压增大，太赫兹辐射的透射强度增加。逡逑通过消耗密度为１０１２ｃｍ＿２的电子气体，实现了从０．１到２ＴＨｚ频率范围内的最大逡逑３％的调制深度。逡逑

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