[发明专利]低电压驱动的常开型太赫兹超表面调制器及制备方法

说明书

本发明提供一种低电压驱动的常开型太赫兹超表面调制器及制备方法，包括高阻硅衬底、埋栅电极、二氧化钒薄膜以及超表面层微结构，高阻硅衬底表面上侧依次是二氧化钒薄膜、超表面层微结构；二氧化钒薄膜包括正方形二氧化钒薄膜块和隔离二氧化钒薄膜，超表面层微结构由若干个金属结构单元周期性排列构成，每个金属结构单元为一个正方形金属块，每个正方形金属块中部设有一个H型槽，H型槽中间的横向段下方设有一个正方形二氧化钒薄膜块，每个正方形金属块的底部通过金属条相连，并最终与漏电极相连接。本器件可广泛应用于太赫兹波通信系统、太赫兹波探测、太赫兹波成像等领域。

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体为一种低电压驱动的常开型太赫兹超表面调制器及其制备方法。

背景技术

太赫波介于微波和红外之间，其特殊的频率范围使得太赫兹波具备一些特有的性质，在无线通信、光谱学、无损检测和成像等领域具有巨大的应用前景，从而受到了越来越多的关注。而这些潜在应用的实现都需要各种各样的主被动元器件来更有效的控制太赫兹波诸如：调制器、滤波器、偏光器、移相器、开关以及透镜等。然而大部分天然材料的电磁性能并不适合太赫兹的频率范围，因此太赫兹元器件的发展相对落后，人工电磁材料的出现很好的解决了这一问题，其中超表面由于结构简单制造容易更是受到了众多研究者的欢迎

超表面是一种人工合成的亚微米结构，这些人工设计单元通过改变超表面结构单元的几何形状、大小、方向或者电介质材料，可以为各种各样的太赫兹应用提供机会。大量研究者将具有可调谐性的材料与半导体材料结合在一起构成可调超表面器件，在电场、光、温度等外界激励下实现对太赫兹波的动态调控。

二氧化钒是一种极好的可调功能材料，其晶格结构在热、电、光等外场激励下会发生由单斜金红石结构(M相)到四方金红石结构(R相)的可逆转变(MIT)，同时伴随电学和光学性能的剧烈变化，其中较为明显的物理现象是有3-5个数量级的电导率变化。M相时，二氧化钒对太赫兹波有很高的透过率，吸收和反射损耗也非常小，而R相时，二氧化钒对太赫兹波有很强的反射及吸收，透过率相对较小。利用二氧化钒薄膜的相变与超表面结构相结合，可以实现对太赫兹波的幅度相位调控。然而，采用传统的热和光驱动方法，需要额外的热和光学装置，无法与目前主流的微电子系统相集成。

因此，研制一种能够与半导体工艺和现有高集成度电子系统相兼容，并且通过外界激励实现对刻不容缓。这一器件的实现不仅对超表面结构的发展有重要意义，对于推动现有的太赫兹成像系统等实际应用系统发展也具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低电压驱动的常开型太赫兹超表面调制器及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种低电压驱动的常开型太赫兹超表面调制器，包括高阻硅衬底1、埋栅电极2、二氧化钒薄膜以及超表面层微结构4，埋栅电极2是利用扩散工艺对高阻硅衬底1进行选区掺杂制备而形成于高阻硅衬底1内部，高阻硅衬底1表面上侧依次是二氧化钒薄膜、超表面层微结构4；二氧化钒薄膜包括正方形二氧化钒薄膜块3和隔离二氧化钒薄膜31，超表面层微结构4由若干个金属结构单元周期性排列构成，每个金属结构单元为一个正方形金属块8，每个正方形金属块中部设有一个H型槽7，H型槽中间的横向段下方设有一个正方形二氧化钒薄膜块3，H型槽中间的横向段和正方形二氧化钒薄膜块3接触，每个正方形金属块和埋栅电极的接触处通过隔离二氧化钒薄膜31隔离，每个正方形金属块的底部通过金属条6相连，并最终与漏电极相连接。埋栅电极2、二氧化钒薄膜及超表面层微结构4起到太赫兹波幅度、相位动态调控作用。

作为优选方式，在高阻硅衬底1和二氧化钒薄膜之间加入氧化物作为绝缘层。这样减缓电流产生焦耳热的传播，提升二氧化钒薄膜性能，增加了器件设计的灵活性，降低器件制备难度。

作为优选方式，整个器件中的埋栅电极2、二氧化钒薄膜以及超表面层微结构4均是由同一高阻硅衬底1通过刻蚀、掺杂、氧化、光刻的标准半导体工艺加工而成。