半导体太赫兹波光调制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电技术，以及太赫兹波调制和成像技术。
【背景技术】
[0002]太赫兹波是频率在112赫兹的电磁波，处于远红外波段。历史上由于很难制造太赫兹波源，因此对于该频段的电磁波的研究十分滞后。近些年来，太赫兹波源的迅速发展，让太赫兹波技术的研究和运用得到了迅速的发展。经过探讨研究，人们发现太赫兹波在分子波谱、太赫兹成像、遥感和雷达、生物医学、国土安全和通讯中将会有非常重要的运用。目前，太赫兹波的产生、调制和探测还不成熟，还存在许多需要改进的地方，严重限制了太赫兹波相关技术的发展。太赫兹波调制器是通过外加激励信号来改变通过调制器的太赫兹波的强度和相位的器件。对于太赫兹波调制器，重要的技术参数包括调制速度、调制深度和调制的频带宽度。现目前太赫兹波的调制是通过改变半导体、石墨烯和其他材料的导电性质或者通过人工超材料来实现的。其中人工超材料的调制速度和深度比较大，可是带宽较窄，并且生产成本很高，在某些应用中会被限制。而通过改变材料导电性的太赫兹波调制是宽带调制。材料的导电性的改变和快速恢复可以通过:(I)在半导体中产生光生载流子，(2)通过石墨烯晶体管的门电压改变石墨烯的费米能级，(3)通过金属-绝缘体相变改变材料的导电性。后两种方法都有他们的局限性，所以通过半导体的光生载流子来调制太赫兹波，是一种传统、简单、经济、有效、宽频段的太赫兹波调制方法。但是这种调制方法需要大功率的激光才能产生较大的调制深度，同时其调制速率现在还相对较低(10kHz到IMHz)间。
[0003]参考文献:
[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.
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在低功率激光下具有较大光调制深度的半导体太赫兹波调制器。
[0007]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，半导体太赫兹波光调制器，包括半导体，其特征在于，在所述半导体的受光面上分散设置有金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒的粒径为I?lOOnm，相邻颗粒间距I?5nm。
[0008]进一步的，所述金属纳米颗粒单层排布于半导体的受光面上。金属纳米颗粒的材质为金或银；
[0009]优选的，金属纳米颗粒的粒径为6nm，间距2nm。
[0010]金属纳米颗粒的表面带有表面活性剂。所述半导体为娃。金属纳米颗粒均勾排布于半导体的受光面上。
[0011]本发明的有益效果是，本发明通过小功率的激光就能让光生载流子浓度达到饱和值，适用于小功率激光获得大调制深度的应用。
【附图说明】
[0012]图1是半导体太赫兹波调制器的原理图。其中(a)为本发明，(b)为现有技术。
[0013]图2(a)是金纳米颗粒单层膜在硅片上的扫描电子显微镜图片。
[0014]图2(b)金纳米颗粒单层膜的紫外-可见光光谱图。
[0015]图3是静态调制测试曲线图，其中(a)，(b), (c)分别为不同调制激光功率下，透射过本征硅的太赫兹波的时域谱、频域谱和透射率，(d)，(e), (f)分别为在不同激光功率下，透射过金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅的太赫兹波的时域谱、频域谱和透射率。
[0016]图4是动态调制测试曲线图，在10Hz方波激光的激励下，连续太赫兹波透过(a)本征硅，(b)金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅的响应太赫兹方波。(C)为两种调制器在不同激光功率照射下的调制深度，(d)为在不同激光功率下，金纳米颗粒单层膜对太赫兹波调制深度增强的倍数。
[0017]图5投射到样品上为激光点成像照片，其中(a)为采用本征硅，(b)为采用金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅。
[0018]图像的面积是6毫米X 6毫米。
[0019]图6为太赫兹光调制系统结构示意图，系统由太赫兹源、太赫兹探测器、光调制信号和太赫兹调制器组成。
【具体实施方式】
[0020]本发明通过化学法制备了大小均匀的金纳米颗粒，并且运用自组装的方法生成了大规模的金纳米颗粒单层膜。将金纳米颗粒单层膜铺在半导体本征硅上(见图1a)，用于加强本征硅对太赫兹波的光调制作用。其原理如图1所示。图1a中为半导体本征硅上铺有金纳米颗粒膜的样品，图1b中为未被覆盖的半导体本征硅。当激光照在两个样品上的时候，本征硅会产生光生载流子，但是在一般本征硅中，载流子浓度不是很高，因此需要提高激光功率来增加载流子的浓度(图1b)。但是对于覆盖有金纳米颗粒单层膜的本征硅(图1a)，因为金纳米颗粒的表面等离子体能够将激光汇聚，极大地加强纳米颗粒近表面的电磁场强度，因此即使在小功率激光的照射下，下面的本征硅也会感受到像被大功率激光照射一样。这样在相同激光功率的照射下，被金纳米颗粒覆盖的半导体硅(图1a)将会产生更多的光生载流子，因此对太赫兹波的调制深度更大。由于当激光功率足够大的时候，光生载流子的浓度最终会达到饱和，因此对太赫兹波调制深度也将达到一个极限值。这里的金纳米颗粒单层膜通过小功率的激光就能让光生载流子浓度达到饱和值，因此适用于小功率激光获得大调制深度的应用。
[0021]图2(a)为金纳米颗粒单层膜在本征硅上的扫描电镜显微图片，(b)为相应样品的紫外-可见光吸收光谱。这里为了便于比较，共用了 2组样品:第一组样品为传统的本征硅片作为太赫兹波调制器，第二组样品为金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅片作为太赫兹波调制器。分别对这两组样品做静态调制测试(图3)和动态调制测试(图4)。对于静态调制测试，将一个恒定功率的激光照射在样品的表面，然后将一个太赫兹脉冲透射过样片，在样品的另外一面探测透过样片的太赫兹波脉冲的波形和强度。这套探测太赫兹波波形和强度的装备叫做太赫兹时域谱(TDS)。做完一个测试以后，改变激光的功率，再做同样的测试。图3(a)为第一组样品的TDS测试，图3(d)为第二组样品的TDS测试。可以从图象上看出，当改变激光功率时，第一组的太赫兹波形随激光功率的变化不是很大，而第二组样品太赫兹波的波形和强度随激光功率的变化很大，特别是在小功率激光的照射下。图3(a)和(d)分别通过傅立叶变换得到了对应的太赫兹波频域谱图3(b)和(e)。在频域谱中，也可以看出在不同频率下，第二组样品对太赫兹波的调制变化更大。通过频域谱，可以分别计算得到相应的太赫兹波透射率图谱3(c)和3(f)，透射图谱也显示在不同频率下，穿过第二组样品的太赫兹波的透