基于MOS结构中电子积累效应的表面等离激元光场局域和调控

发布时间：2020-10-12 05:10

　　 表面等离子激元(Surface plasmon polariton,SPP)作为一种沿着正/负介电常数材料界面传输的特殊电磁模式,往往被用于实现亚波长量级的电磁场限制和操控。然而传统金属SPP面临着两个问题:SPP波动态调控的不易实现,传输损耗与光场局域之间的矛盾。这两者仍然制约着SPP器件的实际应用,在中红外和太赫兹波段,由于金属有着很大的介电常数虚部,传统金属SPP器件无法在相对合理的传输损耗下实现亚波长量级的模场限制。基于金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)在半导体中通过形成载流子积累层,可以实现半导体内介电常数从负到正梯度分布,并产生一个介电常数为零的界面。这一结构在约2-20微米的中红外波段不仅可以实现亚波长量级的模场限制,而且可以利用MOS结构对载流子的控制实现对光场的控制。本文分别从电子学和电磁场分析的角度对Ag/HfO_2/N-GaAs结构进行了理论研究,其主要研究工作包括:(1)基于泊松方程对Ag/HfO_2/N-GaAs结构的一维MOS平板进行了数值仿真,计算了积累工作模式下的电子浓度的分布,并根据Drude-Lorentz模型得到了复介电常数的分布,分析了外加电压、氧化物厚度、掺杂浓度对载流子分布和介电常数分布的影响。(2)对积累工作模式下的一维MOS平板结构进行了模式分析,结果表明该结构可以支持两个模式,分析了这两个模式的形成机理和模场分布特点,研究了这两个模式的色散曲线、传播长度、模式尺寸,以及外加电压、氧化物层厚度和半导体掺杂浓度对模式特性的调控作用。(3)分别设计了半导体脊形和金属条形二维MOS结构并进行了模式分析,解释了二维MOS结构中出现的多侧模现象及其电压依赖性,研究了模式的色散曲线、传播长度和模式尺寸,并与无外加电压的情况进行了比较。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O482.5
【部分图文】：

界面 SPP 波的电磁场分布示意图，(a) TM 模式的 SPP 振荡； (b)方向呈指数衰减， 和 分别为表面 SPP 在介质和金属中的式的特性可以由麦克斯韦方程组推导得到。在图 1-1 中，S的交界面（z=0） 附近，沿 x 方向传播，由于 SPP 波为 TM它的电磁分量可以分别表示为：的金属区域，有域，有

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文梯状的色散曲线，并且可以通过掺杂浓度和变化结构厚度进行进一步的设计。Blaze等人设计了一种通过对半导体进行线性掺杂结构[9]，理论分析表明在线性掺杂区（过渡层）可存在两种不同的 SPP 模式，分别是群速度为正的长波模式和群速度为负的短波模式，文中还特别分析了线性掺杂导致的介电常数过零对模场的增强作用。

图 1-2 （a）半导体 SPP 狭缝波导[4]（b）半导体 SPP 脊形波导[5]3 周期性结构的 SPP虽然很难对金属材料的特性（介电常数）进行调控，但是对于周期性的金属结调整结构参数（如周期，占空比），其等效介电常数将有所不同，因此通过的设计可以在达到调控 SPP 模式的效果[3，10-13，26-27]。这也可以理解为：在周期，SPP 会产生谐振，从而被限制在周期性结构中，因此可以实现光场局域的强。一般来说，周期性金属结构中，刻槽的深度、周期、形状都会改变等效，如刻槽越深，等效介电常数越小，对 SPP 模场的限制作用越好，同时模式也越低[26-27]。
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本文编号：2837691