微纳米结构增强硅基太赫兹功能器件研究
发布时间：2021-10-26 08:52
太赫兹（Terahertz,简称THz）波由于在电磁波谱中处于电子学与光子学的过渡区域,具有许多优良的性质如宽带性、低能量性、相干性好等,在无线通信、安检、无损探测、医学成像、武器制导等诸多方面有着广阔的应用前景。其中,太赫兹成像技术是当前太赫兹波研究领域的热点,高效率的太赫兹调制器是提高成像水平的关键因素之一。在现有的太赫兹调制器件当中,硅基全光控太赫兹调制器由于具有结构简单、便于高密度集成以及其制造技术与现有的CMOS工艺相兼容等优势而备受关注。半导体硅对波长4001100 nm范围内的激光反射率高达40%60%,其较低的激光利用率不但降低了器件的调制深度,反射的激光也会对应用系统带来干扰和噪声。基于此,本文主要围绕着怎样提高硅基光控太赫兹调制器的调制深度和提高泵浦激光利用率两个方面进行了研究,研究了硅表面微纳米结构以及表面钝化工艺技术对其调制性能的影响,并通过太赫兹成像实验验证了器件的调制性能。主要的工作包括:首先,研究了硅表面微结构对调制器性能的影响。通过化学刻蚀的方法在硅片上制备具有微米量级金字塔结构的黑硅,而黑硅对波长在400
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹波在电磁波谱中的位置
第一章绪论3控的设计方案，使用欧姆接触与肖特基接触来调节载流子浓度在衬底上的分布。如图1-2所示，衬底中的高浓度载流子在未加电的情况下将谐振开口位置导通，且人工微结构此时不会产生LC振荡。随着外加偏压的增大，开口处的电子被置于负偏压下，谐振开口处断开，形成了LC振荡。利用电控的方式，最终实现了在0.72THz处的50%调制深度。然而，这种电控方法的缺点是，该调制器的寄生电容较大，最后只有几KHz的调制速率。图1-2基于超材料的电控THz调制器示意图。(a)器件模型；(b)肖特基二极管模型；(c)电压调控示意图[16]2009年，H.T.Chen等人发表了关于相位调制的电控太赫兹调制器的文章[17]，使用人工微结构和掺杂GaAs结合的方式，利用电压信号来控制载流子浓度的分布以达到控制人工微结构谐振特性变化的目的，如图1-3所示。和以前的调幅方案不同，该篇文章的研究重点是电压变化如何影响太赫兹波的相位变化情况。通过优化设计人工微结构之后，最后得到了30°的相位调制和80%的幅度调制，且预测最大调制速率高达2MHz，与之前的实验结果相比，这是一个极大的提升。该科研团队同时还提出了利用多层复合结构以此来实现更好的相位调制效果，最终实现了360°的相位变化，初步满足了现代无线通信的需求。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3H.T.Chen等人发表的电控太赫兹相位调制器[17]2009年，T.Driscoll等人研究了基于VO2的太赫兹温控调制器，相关研究成果发表在Science上。在这篇文章中，通过结合人工微结构和VO2薄膜的方式来对谐振频率点进行调控，如图1-4所示，因为VO2具有温度相变的特性，加热VO2薄膜，可以使VO2产生由半导态到金属态的相变[18]。在加热的过程中，VO2薄膜的电导率以及介电常数会不断地发生变化。因为谐振频率是由等效电感以及等效电容决定，而加热过程中VO2薄膜介电常数的变化会导致等效电容的变化，最终会导致谐振频率的变化。随着VO2薄膜加热温度的变化，该调制器可以达到20%的频率偏移。另外，电导率的改变还会影响整个频段上的太赫兹波透射率。图1-4基于VO2的太赫兹温控调制器[18]2012年，美国圣母大学的B.S.Rodriguez等人通过石墨烯薄膜的电控方式来对太赫兹波进行了调控，相关的研究结果在NatureCommunications上得以发表[19]。如图1-5所示，该篇文献中通过单层石墨烯薄膜来制备基于石墨烯的太赫兹电控调
【参考文献】：
期刊论文
[1]S-4700型扫描电子显微镜的结构与操作注意事项[J]. 徐凌云. 分析仪器. 2016(01)
[2]太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究[J]. 齐娜,张卓勇,相玉红. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[3]氧化铝、氢氧化铝的XRD鉴定[J]. 李波,邵玲玲. 无机盐工业. 2008(02)
[4]飞秒激光作用下的硅表面微结构及发光特性[J]. 门海宁,程光华,孙传东. 强激光与粒子束. 2006(07)
[5]单晶硅各向异性湿法腐蚀机理的研究进展[J]. 王涓,孙岳明,黄庆安,周再发. 化工时刊. 2004(06)
[6]太赫兹科学与技术研究回顾[J]. Bradley Ferguson,张希成. 物理. 2003(05)
硕士论文
[1]硅基全光控太赫兹波幅度调制器的研究[D]. 田伟.电子科技大学 2015
[2]太赫兹时域光谱技术研究及应用[D]. 孟坤.中国工程物理研究院 2011
本文编号：3459213
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹波在电磁波谱中的位置
第一章绪论3控的设计方案，使用欧姆接触与肖特基接触来调节载流子浓度在衬底上的分布。如图1-2所示，衬底中的高浓度载流子在未加电的情况下将谐振开口位置导通，且人工微结构此时不会产生LC振荡。随着外加偏压的增大，开口处的电子被置于负偏压下，谐振开口处断开，形成了LC振荡。利用电控的方式，最终实现了在0.72THz处的50%调制深度。然而，这种电控方法的缺点是，该调制器的寄生电容较大，最后只有几KHz的调制速率。图1-2基于超材料的电控THz调制器示意图。(a)器件模型；(b)肖特基二极管模型；(c)电压调控示意图[16]2009年，H.T.Chen等人发表了关于相位调制的电控太赫兹调制器的文章[17]，使用人工微结构和掺杂GaAs结合的方式，利用电压信号来控制载流子浓度的分布以达到控制人工微结构谐振特性变化的目的，如图1-3所示。和以前的调幅方案不同，该篇文章的研究重点是电压变化如何影响太赫兹波的相位变化情况。通过优化设计人工微结构之后，最后得到了30°的相位调制和80%的幅度调制，且预测最大调制速率高达2MHz，与之前的实验结果相比，这是一个极大的提升。该科研团队同时还提出了利用多层复合结构以此来实现更好的相位调制效果，最终实现了360°的相位变化，初步满足了现代无线通信的需求。
电子科技大学硕士学位论文4图1-3H.T.Chen等人发表的电控太赫兹相位调制器[17]2009年，T.Driscoll等人研究了基于VO2的太赫兹温控调制器，相关研究成果发表在Science上。在这篇文章中，通过结合人工微结构和VO2薄膜的方式来对谐振频率点进行调控，如图1-4所示，因为VO2具有温度相变的特性，加热VO2薄膜，可以使VO2产生由半导态到金属态的相变[18]。在加热的过程中，VO2薄膜的电导率以及介电常数会不断地发生变化。因为谐振频率是由等效电感以及等效电容决定，而加热过程中VO2薄膜介电常数的变化会导致等效电容的变化，最终会导致谐振频率的变化。随着VO2薄膜加热温度的变化，该调制器可以达到20%的频率偏移。另外，电导率的改变还会影响整个频段上的太赫兹波透射率。图1-4基于VO2的太赫兹温控调制器[18]2012年，美国圣母大学的B.S.Rodriguez等人通过石墨烯薄膜的电控方式来对太赫兹波进行了调控，相关的研究结果在NatureCommunications上得以发表[19]。如图1-5所示，该篇文献中通过单层石墨烯薄膜来制备基于石墨烯的太赫兹电控调
【参考文献】：
期刊论文
[1]S-4700型扫描电子显微镜的结构与操作注意事项[J]. 徐凌云. 分析仪器. 2016(01)
[2]太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究[J]. 齐娜,张卓勇,相玉红. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[3]氧化铝、氢氧化铝的XRD鉴定[J]. 李波,邵玲玲. 无机盐工业. 2008(02)
[4]飞秒激光作用下的硅表面微结构及发光特性[J]. 门海宁,程光华,孙传东. 强激光与粒子束. 2006(07)
[5]单晶硅各向异性湿法腐蚀机理的研究进展[J]. 王涓,孙岳明,黄庆安,周再发. 化工时刊. 2004(06)
[6]太赫兹科学与技术研究回顾[J]. Bradley Ferguson,张希成. 物理. 2003(05)
硕士论文
[1]硅基全光控太赫兹波幅度调制器的研究[D]. 田伟.电子科技大学 2015
[2]太赫兹时域光谱技术研究及应用[D]. 孟坤.中国工程物理研究院 2011
本文编号：3459213
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