基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器的制作方法

本发明涉及电磁功能材料技术领域，特别是涉及一种基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1thz到10thz范围的电磁波，因其特有的性质，在安全成像、近距离高速通信等领域有着不可替代的应用价值。太赫兹吸收器作为一种重要的电磁波器件，与太赫兹波检测、通信和成像系统的发展关系密切。

太赫兹吸收器设计原理分为窄带和宽带两大类。太赫兹窄带吸收器在消反射原理和超材料阻抗匹配原理主导下已经实现了比较令人满意的吸收性能，目前主要朝着减小尺寸和可调谐方向进一步发展。太赫兹宽带吸收器相对研究较少，目前已提出的宽带吸收器设计方法在尺寸、带宽、工艺复杂度上很难取得较好的平衡。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器，可以实现宽带消反射，且工艺简单、设计灵活。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器，包括掺杂半导体层和镀膜层，所述镀膜层设于掺杂半导体层上方；

电磁波入射至所述镀膜层，满足以下条件：

振幅条件：|r|＝|ρ|，|r|和|ρ|分别为镀膜层上、下界面的反射系数绝对值；|r|和|ρ|的计算公式分别为：其中，n0、nd和ns分别为电磁波入射环境、镀膜层材料和掺杂半导体层材料的折射率；

相位条件：φ＝φ(r)+φ(ρ)+δ＝2mπ，φ表示电磁波在镀膜层中的往返相位差，φ(r)和φ(ρ)分别表示电磁波在镀膜层上、下界面的反射相位，δ表示电磁波在镀膜层中往返引起的传播相位差，m表示整数；

其中，所述镀膜层上界面为电磁波入射环境与镀膜层之间形成的界面，所述镀膜层下界面为镀膜层与掺杂半导体层之间形成的界面。

相对于现有技术，本发明采用掺杂半导体，其在很宽的频率范围内表现出较强的吸收特性，且其反射相位出现反常色散，随着电磁波频率的增加而减小；在掺杂半导体上镀膜，首先，镀膜的折射率可以满足折射率匹配，使结构满足消反射的振幅条件，其次，适当厚度的镀膜可以使掺杂半导体的反常色散与镀膜内的正常色散相互抵消，满足消反射的相位条件，从而实现太赫兹宽带消反射和近完美吸收。

进一步地，所述掺杂半导体层为掺杂gaas层，所述镀膜层为聚苯乙烯(ps)膜。掺杂gaas的折射率表现为drude色散，在某一波段内，其反射相位表现为反常色散，即反射相位随着频率增加而减小，而对应的反射率变化则比较缓慢。ps作为掺杂gaas的镀膜材料，其折射率可以满足消反射的振幅条件。

进一步地，所述掺杂gaas层为n型掺杂gaas层，其掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3～11×10¹⁶cm^-3，厚度为280～320μm。

进一步地，所述聚苯乙烯膜的厚度为10～20μm。

进一步地，所述掺杂半导体层为掺杂si层，所述镀膜层为聚乙烯(pe)膜。掺杂si的折射率表现为drude色散，在某一波段内，其反射相位表现为反常色散，即反射相位随着频率增加而减小，而对应的反射率变化则比较缓慢。pe作为掺杂si的镀膜材料，其折射率可以满足消反射的振幅条件。

进一步地，所述掺杂si层为n型掺杂si层，其掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁶cm^-3，厚度为280～320μm。

进一步地，所述聚乙烯膜的厚度为20～25μm。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为镀膜吸收器工作原理图。

图2为掺杂gaas和掺杂si的折射率、反射率和反射相位随频率变化图。

图3为ps镀膜掺杂gaas吸收器工作原理图。

图4为不同掺杂gaas浓度和不同ps膜厚度下的折射率、反射率和反射相位随频率变化图。

图5为pe镀膜掺杂si吸收器工作原理图。

具体实施方式

本发明的设计原理为：光学镀膜在特定波长可以实现消反射，在吸收材料表面镀膜可以在消反射相应的波长实现窄带完美吸收。消反射需要满足的条件之一是电磁波在镀膜中一次往返产生的相位差是2π的整数倍，请参阅图1，其为镀膜吸收器工作原理图。电磁波在镀膜中的往返相位差φ＝φ(r)+φ(ρ)+δ，其中，φ(r)、φ(ρ)和δ分别表示电磁波在镀膜上、下界面的反射相位以及往返引起的传播相位，其中φ(r)是非色散常数0。如图1(a)所示，当吸收材料的反射相位是非色散时，φ(ρ)表现为非色散，即不随入射电磁波频率改变；δ表现为正常色散，即随着入射光频率增大而增大；相应的往返相位差φ的色散与δ一致，表现为正常色散，即也随着入射光频率增大而增大，如图1(b)所示，只有在特定频率处满足消反射条件φ等于2mπ时，反射率才会等于0。如图1(c)所示，当吸收材料的反射相位是反常色散时，φ(ρ)表现为反常色散，即随着入射光频率增大而减小，且与δ的正常色散相互抵消；相应的往返相位差φ可以在宽带范围内保持非色散，如图1(d)所示，宽带内非色散的φ同时等于2mπ时，则可以实现宽带消反射。

本征的半导体在太赫兹是损耗很低的电介质，高度掺杂后在很宽频率范围内表现出较强的吸收特性。一般半导体的电导率色散可以用drude模型描述：

其中，σ是复数电导率，ω是电磁波角频率，n是载流子浓度，m^*是载流子有效质量，e是元电荷，τ是散射时间。对应的介电常数ε(ω)可以通过：

计算得到。其中εd是没有掺杂时(本征半导体)的介电常数。

电磁波从介质1正入射到介质2时，由于两种介质折射率不同而发生反射。根据菲涅尔公式有：

其中，r为反射系数，n1、n2分别为介质1、2的折射率。太赫兹波从空气或介质(n1是实数)正入射到掺杂半导体(n2是复数，n2＝n+jk)时，

反射系数r的反射相位是：

当n和k随频率变化的色散满足一定条件时，可以使公式(5)中的反射相位随着电磁波频率的增加而减小，即出现反常色散。

由于没有镀膜的掺杂半导体与空气阻抗不匹配，部分太赫兹波会被反射。当满足了消反射的振幅条件：

|r|＝|ρ|(6)

和相位条件：

φ＝φ(r)+φ(ρ)+δ＝2mπ(7)

时，反射就会被消除。假设电磁波入射环境的折射率为n0，掺杂半导体的折射率为ns，其消反射镀膜层介电材料的折射率为nd，为了满足振幅条件公式(6)，则：

其中n0一般是1(电磁波从空气入射)，掺杂半导体的折射率ns在太赫兹波段是drude色散，为了使镀膜可以在设计频段内实现振幅条件，根据公式(8)算出设计频段内nd的理论值，然后根据实际存在的介电材料，选择最接近理论值的某一种材料。根据公式(7)和镀膜折射率，可以计算出接近于满足相位条件的镀膜厚度。从而通过掺杂半导体与镀膜相互协同配合，使得掺杂半导体的反常色散与与镀膜内的正常色散相互抵消，使得消反射相位条件在很宽频率范围内都能成立。

下面以掺杂的gaas和si为例，对本发明的基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器进行进一步说明。

实施例1

本实施例的基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器，请参阅图3(a)，包括掺杂gaas和ps(polystyrene)镀膜，所述ps镀膜设于掺杂gaas上方。

本实施例中，掺杂gaas的各参数为：εgaas＝12.9+7.9×10^-28ω²；m^*＝0.079m0，m0是自由电子质量；τ＝μm^*/e，μ是直流电子迁移率，μ随载流子浓度n不同而改变；n＝10.3×10¹⁶cm^-3(迁移率μ＝4000cm²v^-1s^-1，n型掺杂)；厚度为300μm。

请参阅图2(a)，其为本实施例的掺杂gaas的折射率色散曲线(其中，n代表实部，k代表虚部)，可以看到，掺杂gaas的折射率表现为drude色散，其中某一波段内，满足反射相位反常色散的条件。请参阅图2(b)，其显示的是太赫兹波从空气正入射到掺杂gaas上的反射率和反射相位随频率变化曲线，可以看到，在3～6thz的频率范围内，反射相位具有反常色散，即随着频率增加而减小，而对应的反射率变化则比较缓慢。

本实施例中，ps镀膜的各参数为：折射率为1.6，厚度为10μm。请参阅图3(c)，其为ps镀膜层上、下界面的反射系数绝对值|r|和|ρ|随频率变化曲线，可以看出，在3～5thz频段内，基本满足消反射的振幅条件(由于掺杂半导体的折射率色散，无法使每一频率处都严格满足振幅条件)。

通过传输矩阵算法对本实施例的ps镀膜的掺杂gaas的反射率进行计算，获得如图3(b)所示的反射率随频率变化曲线，可以看出，相比于无镀膜的掺杂gaas，ps镀膜的掺杂gaas在3～5thz频率范围内可以实现消反射和近完美吸收。请参阅图3(d)，其为ps镀膜的掺杂gaas的反射相位随频率变化曲线，包括往返相位差φ＝φ(r)+φ(ρ)+δ以及其各组成分量的色散曲线，可以看出，在3～5thz频率范围内，由于掺杂gaas的反常色散φ(ρ)与ps镀膜内的正常色散δ相互抵消，使得往返相位差φ一致保持在0附近。

实施例2

通过改变半导体的掺杂浓度和镀膜厚度可以调节宽带吸收的频率范围。改变半导体的掺杂浓度，会使其折射率发生改变，同时，反射相位、反射系数、以及反射相位发生反常色散的频率范围也随之改变，设计不同厚度的镀膜以补偿掺杂半导体反射相位的反常色散，从而可以实现各自对应的宽带消反射。

本实施例的基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器与实施例1基本相同，区别在于：掺杂gaas的掺杂浓度和ps镀膜的厚度不同。

图4(a)显示了掺杂gaas的掺杂浓度分别为3.1×10¹⁶cm^-3(μ＝5500cm²v^-1s^-1，n型掺杂)和6×10¹⁶cm^-3(μ＝5000cm²v^-1s^-1，n型掺杂)时的折射率色散曲线，可以看出，掺杂浓度不同，其折射率发生改变。图4(b)显示了掺杂gaas在该两种掺杂浓度下的反射率和反射相位随频率变化曲线，可以看出，随着掺杂浓度的改变，反射相位发生反常色散的频率范围也发生改变。如图4(c)所示，在掺杂浓度为3.1×10¹⁶cm^-3的gaas上镀一层16μm的ps镀膜可以补偿其对应频段的反常色散，实现1.8～2.6thz范围内的完美吸收。如图4(d)所示，在掺杂浓度为6×10¹⁶cm^-3的gaas上镀一层13μm的ps镀膜可以补偿其对应频段的反常色散，实现2.5～3.5thz范围内的完美吸收。

实施例3

本实施例的基于镀膜掺杂半导体的太赫兹宽带吸收器，请参阅图5(a)，包括掺杂si和pe(polyethylene)镀膜，所述pe镀膜设于掺杂si上方。

本实施例中，掺杂si的各参数为：εsi＝(3.415)²；m^*＝0.26m0，m0是自由电子质量；掺杂浓度n＝4×10¹⁶cm^-3(迁移率μ＝4000cm²v^-1s^-1，n型掺杂)；厚度为300μm。

请参阅图2(c)，其为本实施例的掺杂si的折射率色散曲线(其中，n代表实部，k代表虚部)，可以看到，掺杂si的折射率表现为drude色散，其中某一波段内，满足反射相位反常色散的条件。请参阅图2(d)，其显示的是太赫兹波从空气正入射到掺杂si上的反射率和反射相位随频率变化曲线，可以看到，在0.8～3thz的频率范围内，反射相位具有反常色散，即随着频率增加而减小，而对应的反射率变化则比较缓慢。

本实施例中，pe镀膜的各参数为：折射率为1.8，厚度为22μm。请参阅图5(c)，其为pe镀膜层上、下界面的反射系数绝对值|r|和|ρ|随频率变化曲线，可以看出，基本满足消反射的振幅条件(由于掺杂半导体的折射率色散，无法使每一频率处都严格满足振幅条件)。

通过传输矩阵算法对本实施例的pe镀膜的掺杂si的反射率进行计算，获得如图5(b)所示的反射率随频率变化曲线，可以看出，相比于无镀膜的掺杂si，pe镀膜的掺杂si在1～1.75thz频率范围内可以实现消反射和近完美吸收。请参阅图5(d)，其为pe镀膜的掺杂si的反射相位随频率变化曲线，包括往返相位差φ＝φ(r)+φ(ρ)+δ以及其各组成分量的色散曲线，可以看出，在1～1.75thz频率范围内，由于掺杂si的反常色散φ(ρ)与pe镀膜内的正常色散δ相互抵消，使得往返相位差φ一致保持在0附近。

相对于现有技术，本发明采用掺杂半导体，其在很宽的太赫兹频率范围内表现出较强的吸收特性，且其反射相位出现反常色散，随着电磁波频率的增加而减小；在掺杂半导体上镀膜，首先，镀膜的折射率可以满足折射率匹配，使结构满足消反射的振幅条件，其次，适当厚度的镀膜可以使掺杂半导体的反常色散与镀膜内的正常色散相互抵消，满足消反射的相位条件，从而实现太赫兹宽带消反射和近完美吸收。此外，吸收波段可以通过改变半导体掺杂浓度和镀膜厚度来调节，本发明基于宽带消反射原理的宽带吸收器，相比于其他宽带吸收器，大大简化了制作工艺，同时具有设计灵活的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。