全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器的制造方法
【專利摘要】一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，包括：一n(p)型摻雜半導體層，為矩形；兩個第一偏壓控制部分，其制作在n(p)型摻雜半導體層相對的兩端；一本征半導體介質(zhì)隔離層，其制作在n(p)型摻雜半導體層的上面，該本征半導體介質(zhì)隔離層的長度小于兩個第一偏壓控制部分之間的距離；多個n(p)型摻雜半導體光柵條，形成光柵層，其條寬相同或每兩個n(p)型摻雜半導體光柵條為一組，其中一個條寬小于另一個的寬度，該多個n(p)型摻雜半導體光柵條縱向制作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面，該n(p)型摻雜半導體光柵條激發(fā)表面等離激元模式；兩個第二偏壓控制部分，其制作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面、n(p)型摻雜半導體光柵條的兩端。
【專利說明】
全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，尤其是涉及一種可以實現(xiàn)調(diào)頻工作、全半導體、超薄的亞波長中紅外吸收器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]電磁波譜中，通常將波長范圍為2.5-25微米這一波譜區(qū)間稱為中紅外波譜區(qū)。中紅外又被稱為熱紅外或發(fā)射紅外，可用于夜間紅外掃描成像。此外絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)。中紅外頻段吸收器可以作為熱探測器/發(fā)射器的吸收單元，或作為涂層材料以減小電磁波的雜散發(fā)射。因此對中紅外波段材料性能的研究具有重要意義。
[0003]近年來，基于超材料的完美吸收器蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外研究人員提出了許多面型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)偏振無關(guān)、多頻帶、寬帶及寬入射角等性能的吸收器?？烧{(diào)吸收器作為研究的熱點， 擁有光激發(fā)、機械驅(qū)動、熱調(diào)制以及電調(diào)制多種實現(xiàn)方式。波士頓大學的K.Fan等人利用硅的光致發(fā)光特性，通過調(diào)節(jié)雙開口諧振環(huán)的電容效應實現(xiàn)對共振頻率的調(diào)控。浙江大學的魏興昌等人利用混合靜電偏壓調(diào)控梯形石墨烯帶在THz波段實現(xiàn)了寬帶吸收的動態(tài)調(diào)控。 復旦大學的彭慧勝等人通過調(diào)節(jié)兩層取向碳納米管膜的夾角，在GHz波段實現(xiàn)對吸波頻率的調(diào)控。但是這些研究主要集中在微波、太赫茲以及近紅外波段，而工作在中紅外頻段的可調(diào)諧吸收器鮮有報道。
[0004]因此急需一種結(jié)構(gòu)簡單的可調(diào)頻的中紅外吸收器。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出了一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，旨在利用摻雜半導體材料的金屬性，在中紅外波段實現(xiàn)便于與其他半導體器件集成的、吸收頻率可調(diào)諧的、結(jié)構(gòu)簡單的雙頻段或者寬帶吸收器。
[0006]本發(fā)明提供一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，包括:
[0007]— n(p)型摻雜半導體層，為矩形；
[0008]兩個第一偏壓控制部分，其制作在n(p)型摻雜半導體層相對的兩端；
[0009]—本征半導體介質(zhì)隔離層，其制作在n(p)型摻雜半導體層的上面，該本征半導體介質(zhì)隔離層的長度小于兩個第一偏壓控制部分之間的距離；
[0010]多個n(p)型摻雜半導體光柵條，形成光柵層，其條寬相同或每兩個n(p)型摻雜半導體光柵條為一組，其中一個條寬小于另一個的寬度，該多個n(p)型摻雜半導體光柵條縱向制作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面，該n(p)型摻雜半導體光柵條激發(fā)表面等離激元模式；
[0011]兩個第二偏壓控制部分，其制作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面、n(p)型摻雜半導體光柵條的兩端。
[0012]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0013]本發(fā)明提供的這種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，結(jié)構(gòu)簡單，工藝上全半導體材料更方便與其他中紅外半導體器件集成。[〇〇14]本發(fā)明提供的這種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，通過合理的設計上層光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及調(diào)控摻雜半導體材料的摻雜濃度來實現(xiàn)，可以豐富中紅外波段雙頻段吸收器以及寬帶吸收器的實現(xiàn)手段。
[0015]本發(fā)明提供的這種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，通過控制注入電流可以快速方便地調(diào)節(jié)半導體材料的摻雜濃度，進而改變結(jié)構(gòu)的光學響應，對吸收頻率進行調(diào)控。【附圖說明】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進行詳細說明如后，其中:
[0017]圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為圖1的平視示意圖；[〇〇19]圖3為圖1的縱向剖面圖；
[0020]圖4為圖1所示結(jié)構(gòu)的吸收譜線圖；[0021 ]圖5為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇22]圖6為圖5的平視示意圖；[〇〇23]圖7為圖5的縱向剖面圖；[〇〇24]圖8為圖5所示結(jié)構(gòu)的吸收譜線圖?！揪唧w實施方式】 [〇〇25] 第一實施例
[0026]請參閱圖1至圖3所示，本發(fā)明提供一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，包括:
[0027]—n(p)型摻雜半導體層103,為矩形，所述的n(p)型摻雜半導體層103的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，作為反射鏡使用，所述的n(p)型摻雜半導體層103的材料是通過摻雜實現(xiàn)金屬性的半導體材料，第一實施例中所述的n(p)型摻雜半導體層103為n 型摻雜半導體材料(InAs)，厚度大于1微米；
[0028]兩個第一偏壓控制部分101，其制作在n(p)型摻雜半導體層103相對的兩端；
[0029]—本征半導體介質(zhì)隔離層105,其制作在n(p)型摻雜半導體層103的上面，該本征半導體介質(zhì)隔離層105的長度小于兩個第一偏壓控制部分101之間的距離，所述的本征半導體介質(zhì)隔離層105是滿足上下層之間晶格匹配的本征半導體材料，第一實施例中所述的本征半導體介質(zhì)隔離層105為本征半導體材料(InAs)，其介電常數(shù)為12.3,厚度為210-230納米；
[0030]多個n(p)型摻雜半導體光柵條104,形成光柵層，所述的光柵層為一維光柵、兩維光柵或復合光柵結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)偏振光雙通道/寬帶共振響應以及非偏振光光學響應，第一實施例中所述多個n(p)型摻雜半導體光柵條104的條寬相同，條寬為390-410納米，光柵周期為1微米，厚度為210-230納米，該多個n(p)型摻雜半導體光柵條104縱向制作在本征半導體介質(zhì)隔離層105的上面，該n(p)型摻雜半導體光柵條104激發(fā)表面等離激元模式，實現(xiàn)共振吸收，所述的n(p)型摻雜半導體光柵層104的材料為是通過摻雜實現(xiàn)金屬性的半導體材料，第一實施例中所述的n(p)型摻雜半導體光柵層104為n型摻雜半導體材料(InAs);[〇〇31]兩個第二偏壓控制部分102,其制作在本征半導體介質(zhì)隔離層105的上面、n(p)型摻雜半導體光柵條104的兩端。
[0032]所述的n(p)型摻雜半導體層103的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度， 作為反射鏡使用，所述的本征半導體介質(zhì)隔離層105以及所述的n(p)型摻雜半導體光柵層 104構(gòu)成典型的類MIM(metal-1nsulator-metal)結(jié)構(gòu)，在垂直入射光的作用下，實現(xiàn)共振吸收。
[0033]本結(jié)構(gòu)在使用時，應該在兩個第一偏壓控制部分101之間加入電壓VI，在兩個第二偏壓控制部分102之間加入電壓V2,實現(xiàn)偏壓控制(參閱圖2、3)，第一偏壓控制部分101和第二偏壓控制部分102的正負極分別連接所述的n型摻雜半導體層103以及所述的n型摻雜半導體光柵層104兩側(cè)，通過偏壓VI和V2控制注入電流，調(diào)節(jié)所述的n型摻雜半導體層103以及所述的n型摻雜半導體光柵層104的摻雜濃度，從而改變其光學響應，進而改變結(jié)構(gòu)的共振頻率，實現(xiàn)可調(diào)頻的亞波長中紅外吸收器。
[0034]圖4給出了本發(fā)明第一實施例的這種全半導體雙通道中紅外可調(diào)頻吸收器在不同的注入電流下，對應所述的n型摻雜半導體層103以及所述的n型摻雜半導體光柵層104的摻雜濃度為~=5￡19、6￡19、7￡19、8￡19、9￡19時的吸收譜線。[〇〇35] 第二實施例
[0036]請參閱圖5至圖7所示，本發(fā)明提供一種全半導體中紅外寬帶可調(diào)頻吸收器。本發(fā)明的第二實施例與第一實施例的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于，其中所述的n(p)型摻雜半導體光柵條104為每兩個一組，每組中的一個條寬小于另一個的寬度(參閱圖6)，條寬分別為190-210納米和390-410納米，光柵周期為2微米;所述的本征半導體介質(zhì)隔離層105厚度為330-350納米。
[0037]圖8給出了本發(fā)明第二實施例的這種全半導體中紅外寬帶可調(diào)頻吸收器在n型摻雜半導體層(InAs)以及n型摻雜半導體復合光柵層(InAs)的摻雜濃度為N = 7E19以及N = 9E19時的吸收譜線。
[0038]本發(fā)明的目的是基于全半導體材料的生長技術(shù)，實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單的可調(diào)頻的中紅外吸收器。半導體材料的生長和摻雜經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟，通過采用分子束外延技術(shù)、有機化合物氣象沉積技術(shù)等，可以生長出晶格完美的半導體本征材料，另外通過引入摻雜源，可以生長出摻雜濃度超過1E20的材料。
[0039]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，包括:一 n(p)型摻雜半導體層，為矩形；兩個第一偏壓控制部分，其制作在n(p)型摻雜半導體層相對的兩端；一本征半導體介質(zhì)隔離層，其制作在n(p)型摻雜半導體層的上面，該本征半導體介質(zhì) 隔離層的長度小于兩個第一偏壓控制部分之間的距離；多個n(p)型摻雜半導體光柵條，形成光柵層，其條寬相同或每兩個n(p)型摻雜半導體 光柵條為一組，其中一個條寬小于另一個的寬度，該多個n(P)型摻雜半導體光柵條縱向制 作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面，該n(p)型摻雜半導體光柵條激發(fā)表面等離激元模式； 兩個第二偏壓控制部分，其制作在本征半導體介質(zhì)隔離層的上面、n(p)型摻雜半導體 光柵條的兩端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，其中所述的n(p)型摻雜半導 體光柵層的材料為是通過摻雜實現(xiàn)金屬性的半導體材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，其中所述的光柵層為一維光 柵、兩維光柵或復合光柵結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)偏振光雙通道/寬帶共振響應以及非偏振光光學響應。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，其中所述的本征半導體介質(zhì) 隔離層是滿足上下層之間晶格匹配的本征半導體材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，其中所述的n(p)型摻雜半導 體層的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，作為反射鏡使用。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全半導體中紅外可調(diào)頻吸收器，其中所述的n(p)型摻雜半導 體層的材料是通過摻雜實現(xiàn)金屬性的半導體材料。
【文檔編號】G02B5/00GK106019432SQ201610544412
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】鄭婉華, 王少華, 王宇飛, 祁帆, 郭小杰, 馬慶艷
【申請人】中國科學院半導體研究所