二维材料异质结增强的硅基太赫兹光调制器

2020-07-07王卓然文天龙张怀武

压电与声光 2020年3期

王卓然，文天龙，张怀武

电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川成都 610054)

0 引言

太赫兹波(THz Wave)是一种介于微波和红外光之间的电磁波, 在安全检查、高速通信、无损成像等领域具有巨大的应用前景[1-4]。太赫兹波调制器是对太赫兹波的强度或相位进行可控调制的电子器件，在很多太赫兹波技术中具有重要作用。对于低速、宽频和低损耗的太赫兹波调制器应用，如太赫兹压缩感知成像所使用的太赫兹空间调制器，利用半导体(如硅，锗等)光生载流子产生和复合的动态过程对太赫兹波进行调制是一个不错的选择。在激光照射时，大量光生载流子在半导体内部产生；而激光关断后，光生载流子发生快速复合。这个过程中，调制激光造成载流子浓度随时间的起伏，从而使材料在太赫兹波段的复介电常数随时间的变化发生相应地改变。根据Drude模型可以计算出由于半导体载流子浓度变化引起材料的复介电常数的变化，从而导致透射太赫兹波的强度和相位发生变化[5-6]。在半导体中，激光激发的效率较低，造成对光调制深度较小，影响实际应用。为了提高半导体对太赫兹波的光调制深度和速度，可以对半导体的表面进行修饰。如我们课题组运用自组装的金纳米颗粒对硅的表面进行修饰，让硅近表面的光场强度得到提高，从而提高了近表面的光生载流子浓度，让静态的太赫兹波调制深度提高了1个数量级[7-8]。Weis等运用石墨烯修饰半导体硅的界面，并使用飞秒激光作为激励信号，不仅提高了太赫兹波的调制深度，而且由于石墨烯的高迁移率，还大幅提升了调制速度[9]。对于半导体锗，在连续激光作用下石墨烯修饰的锗也获得了相似的增强效果[10]。本文使用石墨烯薄膜和六方氮化硼薄膜的异质结构对硅衬底进行修饰，制作光控的半导体太赫兹波调制器。本文中提到的氮化硼(BN)即指二维六方氮化硼薄膜。氮化硼的层状结构与石墨烯相似，且两者的晶格常数接近，人们也将氮化硼称为“白石墨烯”，由于氮化硼的禁带宽度达5.97 eV，绝缘性能良好，且表面平坦度达到原子级[11]，所以不会对石墨烯造成掺杂。氮化硼层对于石墨烯载流子的输运性能影响极小。2010年，Dean等经实验测得，在氮化硼基底上的石墨烯迁移率高达60 000 cm2/(V·s)[12]。利用以上特性，本文制作的以石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅基光控太赫兹调制器，不仅能进一步提高太赫兹波的光调制深度(以石墨烯修饰的硅为对比)，同时还减小了调制器在不同激光功率激励下调制速度的衰减程度，这对于提高相应器件的性能和可能的应用具有一定的积极作用。

1 调制器的结构与制作工艺

太赫兹波调制器如图1所示，调制器结构从上至下依次为石墨烯薄膜、氮化硼薄膜、P型硅基底。将激光作为调制信号照射在调制器表面，使太赫兹波垂直穿过器件。为了让硅能够产生光生载流子，入射激光的光子能量必须大于硅的禁带宽度Eg(1.12 eV)。因此，只有当入射激光的波长小于1 100 nm时，才能激发硅材料产生电子-空穴对，从而改变硅内部的载流子浓度和复介电常数。这里选用波长为808 nm的调制激光。

图1 石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅基太赫兹波光调制器示意图

制作调制器的工艺流程如下：

1) 将电阻率介于10～30 Ω·cm的(100)P型硅片切割为10 mm×10 mm的基片。将基片依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，并分别放置于超声中清洗干净，最后使用氮气将基片吹干备用。

2) 将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在9 mm×9 mm的铜基六方氮化硼上，并置于100 ℃加热台上5 min，然后将该样品置于浓度为1 mol/L的FeCl3溶液表面，静置3 h后可观察到铜基片溶解，PMMA吸附的氮化硼薄膜浮于溶液表面。将样品捞出，置于去离子水中进行4～5次清洗，再用准备好的硅基片将氮化硼薄膜捞出，使其刚好位于基片中心。将样品放置于空气中约1 h使其自然晾干，再放置于110 ℃加热台上约30 min，使得氮化硼与硅片表面接触良好，然后将样品取下自然冷却后放入丙酮溶液中约30 min，表面PMMA彻底溶解后用氮气吹干备用[13]。

3) 用同样的PMMA转移法将一块尺寸为8 mm×8 mm的铜基石墨烯转移至氮化硼上，至此样品制作成功。

2 实验结果与讨论

为了降低调制器的插入损耗，需要在无外界激励信号时，太赫兹波具有较高的透射率。使用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，运用太赫兹脉冲得到透射太赫兹波的波谱，并以干燥空气的透射为参考，获得太赫兹透射谱。图2为无光照下石墨烯/氮化硼异质结修饰硅片和仅石墨烯修饰硅片的太赫兹透射图谱。在0.2～1.0 THz内，二者的透射率均在55%左右。绝缘二维氮化硼薄膜的引入，对透射率的影响极小，不会引入新的插入损耗。

图2 石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅和石墨烯修饰的硅在0.2～1.0 THz的透射图谱

这里定义调制深度(DM)对调制性能进行比较。设无激光时透射率为T(ω)off，当施加激光时透射率为T(ω)on，对应的调制深度为

DM(ω)=|[T(ω)on-T(ω)off]/T(ω)off|

(1)

为研究和对比静态调制性能，我们将一定功率的808 nm激光聚焦成10 mm左右的光斑，并分别照射在P型硅、石墨烯修饰的P型硅和石墨烯/氮化硼异质结修饰的P型硅表面。在恒定功率激光照射下，运用太赫兹时域光谱系统，对透射过样品的太赫兹波脉冲进行测试，分别得到在不同激光功率照射下的太赫兹透射谱，如图3所示。由图可见，光照下以石墨烯修饰的硅透射率较无光时的变化较大，因此具有更大的调制深度。在500 mW激光照射下，P型硅的平均透射率为50%，对应的调制深度为9%，而石墨烯修饰硅的平均透射率为25%，对应的调制深度为55%，调制深度提高了6倍。这是由于石墨烯与P型硅形成了异质结构，当激光照射时，光生电子和空穴由于界面势能的作用，将向相反的方向漂移和扩散；达到平衡时，大量的光生载流子将被表面电势分离而不能复合，从而造成载流子浓度较P型硅的光生载流子浓度高，因此获得更大的调制深度[9]。

图3 P型硅与石墨烯修饰的硅在不同恒定激光的照射下的太赫兹波透射谱

以相同的实验方法，比较了在100 mW、300 mW和500 mW恒定激光照射下，P型硅、石墨烯修饰硅及石墨烯/氮化硼异质结修饰硅在0.2～1.0 THz的太赫兹波透射谱，测试结果如图4所示。由图4(a)可见，无外界激光照射时，太赫兹波的透射图谱基本重合。微弱的差异来源于石墨烯对太赫兹波较弱的吸收(2.3%左右)。由图4(b)可见，当激光功率为 100 mW 时，石墨烯修饰硅的太赫兹波平均透射率为 48%，相比于无光照条件下的静态调制深度为14%。石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的太赫兹波平均透射率为 40%，调制深度为27%。因此，在100 mW激光照射下，氮化硼层的引入将比石墨烯修饰硅的太赫兹波静态调制深度提高了约1倍。当激光功率为 300 mW (见图4(c))时，石墨烯修饰硅的太赫兹波平均透射率为 37%，对应于无光照时的调制深度为32%；而石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的太赫兹波平均透射率为 25%,调制深度为55%，静态调制深度较石墨烯修饰硅提高了约70%。由图4(d)可见，经石墨烯修饰硅的太赫兹波平均透射率为25%，调制深度为55%；而石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的太赫兹波平均透射率为 13%，调制深度为76%，静态调制深度提高了约40%。由此可见，氮化硼层的引入将提高石墨烯修饰硅的调制深度，特别是在较小激光功率的作用下，增强效果最明显。氮化硼薄膜由于其较大的禁带宽度和较小的厚度，让氮化硼薄膜的引入将进一步有效分离光生的电子和空穴，阻止他们的复合，从而提高稳态时硅和石墨烯中的载流子浓度，获得比石墨烯修饰硅更大的调制深度[14]。

图4 不同激光功率下调制器对太赫兹的透射谱

为了研究石墨烯/氮化硼异质结修饰硅对太赫兹波的动态调制性能，我们将激光调制成方波信号并照射在样品的表面，光斑的大小和激光峰值与之前的实验条件一致，方波频率逐渐增大。为了获得动态调制性能，我们使用连续的太赫兹波源，其频率为0.34 THz，太赫兹波的强度由一个肖特基二极管探测器实时测得。我们以频率为100 Hz时所调制的载波信号峰-峰值为参考，将其他频率下的幅值做归一化处理，测得的调制太赫兹波的峰-峰值下降到3 dB时对应的频率作为调制速度。

图5为不同功率激光下调制器调制速度图。由图可见，当激光功率为100 mW时，石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的调制速度为15 kHz，且在6 kHz以下，调制太赫兹波的幅值衰减较小。而石墨烯修饰硅对太赫兹波的调制速度为11 kHz，随着频率增加，其幅值一直减小。当激光功率为300 mW时，石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的调制速度仍为15 kHz，而石墨烯修饰硅的调制速度降低为9 kHz。当激光功率为500 mW时，石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的调制速度降低为13 kHz，而石墨烯修饰硅对太赫兹波的调制速度降低为7 kHz。由此可知，在相同功率激光的激励下，石墨烯/氮化硼异质结修饰硅较石墨烯修饰硅对太赫兹波的调制速度较快，且随着激光功率的增加，石墨烯/氮化硼异质结修饰硅的调制速度衰减程度较小。这里石墨烯/氮化硼异质结修饰硅具有较快的调制速度，可能是由于在氮化硼上，石墨烯具有更大的载流子迁移率。当激光撤去后，在硅中累积的光生载流子可以在石墨烯进行更快的复合。