王卓然，文天龍，張懷武

電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室, 四川 成都 610054)

0 引言

太赫茲波(THz Wave)是一種介于微波和紅外光之間的電磁波, 在安全檢查、高速通信、無損成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[1-4]。太赫茲波調(diào)制器是對太赫茲波的強(qiáng)度或相位進(jìn)行可控調(diào)制的電子器件，在很多太赫茲波技術(shù)中具有重要作用。對于低速、寬頻和低損耗的太赫茲波調(diào)制器應(yīng)用，如太赫茲壓縮感知成像所使用的太赫茲空間調(diào)制器，利用半導(dǎo)體(如硅，鍺等)光生載流子產(chǎn)生和復(fù)合的動態(tài)過程對太赫茲波進(jìn)行調(diào)制是一個不錯的選擇。在激光照射時，大量光生載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生；而激光關(guān)斷后，光生載流子發(fā)生快速復(fù)合。這個過程中，調(diào)制激光造成載流子濃度隨時間的起伏，從而使材料在太赫茲波段的復(fù)介電常數(shù)隨時間的變化發(fā)生相應(yīng)地改變。根據(jù)Drude模型可以計算出由于半導(dǎo)體載流子濃度變化引起材料的復(fù)介電常數(shù)的變化，從而導(dǎo)致透射太赫茲波的強(qiáng)度和相位發(fā)生變化[5-6]。在半導(dǎo)體中，激光激發(fā)的效率較低，造成對光調(diào)制深度較小，影響實際應(yīng)用。為了提高半導(dǎo)體對太赫茲波的光調(diào)制深度和速度，可以對半導(dǎo)體的表面進(jìn)行修飾。如我們課題組運(yùn)用自組裝的金納米顆粒對硅的表面進(jìn)行修飾，讓硅近表面的光場強(qiáng)度得到提高，從而提高了近表面的光生載流子濃度，讓靜態(tài)的太赫茲波調(diào)制深度提高了1個數(shù)量級[7-8]。Weis等運(yùn)用石墨烯修飾半導(dǎo)體硅的界面，并使用飛秒激光作為激勵信號，不僅提高了太赫茲波的調(diào)制深度，而且由于石墨烯的高遷移率，還大幅提升了調(diào)制速度[9]。對于半導(dǎo)體鍺，在連續(xù)激光作用下石墨烯修飾的鍺也獲得了相似的增強(qiáng)效果[10]。本文使用石墨烯薄膜和六方氮化硼薄膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)對硅襯底進(jìn)行修飾，制作光控的半導(dǎo)體太赫茲波調(diào)制器。本文中提到的氮化硼(BN)即指二維六方氮化硼薄膜。氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)與石墨烯相似，且兩者的晶格常數(shù)接近，人們也將氮化硼稱為“白石墨烯”，由于氮化硼的禁帶寬度達(dá)5.97 eV，絕緣性能良好，且表面平坦度達(dá)到原子級[11]，所以不會對石墨烯造成摻雜。氮化硼層對于石墨烯載流子的輸運(yùn)性能影響極小。2010年，Dean等經(jīng)實驗測得，在氮化硼基底上的石墨烯遷移率高達(dá)60 000 cm2/(V·s)[12]。利用以上特性，本文制作的以石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾的硅基光控太赫茲調(diào)制器，不僅能進(jìn)一步提高太赫茲波的光調(diào)制深度(以石墨烯修飾的硅為對比)，同時還減小了調(diào)制器在不同激光功率激勵下調(diào)制速度的衰減程度，這對于提高相應(yīng)器件的性能和可能的應(yīng)用具有一定的積極作用。

1 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)與制作工藝

太赫茲波調(diào)制器如圖1所示，調(diào)制器結(jié)構(gòu)從上至下依次為石墨烯薄膜、氮化硼薄膜、P型硅基底。將激光作為調(diào)制信號照射在調(diào)制器表面，使太赫茲波垂直穿過器件。為了讓硅能夠產(chǎn)生光生載流子，入射激光的光子能量必須大于硅的禁帶寬度Eg(1.12 eV)。因此，只有當(dāng)入射激光的波長小于1 100 nm時，才能激發(fā)硅材料產(chǎn)生電子-空穴對，從而改變硅內(nèi)部的載流子濃度和復(fù)介電常數(shù)。這里選用波長為808 nm的調(diào)制激光。

圖1 石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾的硅基太赫茲波光調(diào)制器示意圖

制作調(diào)制器的工藝流程如下：

1) 將電阻率介于10～30 Ω·cm的(100)P型硅片切割為10 mm×10 mm的基片。將基片依次放入丙酮、無水乙醇和去離子水中，并分別放置于超聲中清洗干凈，最后使用氮?dú)鈱⒒蹈蓚溆谩?/p>

2) 將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在9 mm×9 mm的銅基六方氮化硼上，并置于100 ℃加熱臺上5 min，然后將該樣品置于濃度為1 mol/L的FeCl3溶液表面，靜置3 h后可觀察到銅基片溶解，PMMA吸附的氮化硼薄膜浮于溶液表面。將樣品撈出，置于去離子水中進(jìn)行4～5次清洗，再用準(zhǔn)備好的硅基片將氮化硼薄膜撈出，使其剛好位于基片中心。將樣品放置于空氣中約1 h使其自然晾干，再放置于110 ℃加熱臺上約30 min，使得氮化硼與硅片表面接觸良好，然后將樣品取下自然冷卻后放入丙酮溶液中約30 min，表面PMMA徹底溶解后用氮?dú)獯蹈蓚溆肹13]。

3) 用同樣的PMMA轉(zhuǎn)移法將一塊尺寸為8 mm×8 mm的銅基石墨烯轉(zhuǎn)移至氮化硼上，至此樣品制作成功。

2 實驗結(jié)果與討論

為了降低調(diào)制器的插入損耗，需要在無外界激勵信號時，太赫茲波具有較高的透射率。使用太赫茲時域光譜系統(tǒng)(THz-TDS)，運(yùn)用太赫茲脈沖得到透射太赫茲波的波譜，并以干燥空氣的透射為參考，獲得太赫茲透射譜。圖2為無光照下石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅片和僅石墨烯修飾硅片的太赫茲透射圖譜。在0.2～1.0 THz內(nèi)，二者的透射率均在55%左右。絕緣二維氮化硼薄膜的引入，對透射率的影響極小，不會引入新的插入損耗。

圖2 石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾的硅和石墨烯修飾的硅在0.2～1.0 THz的透射圖譜

這里定義調(diào)制深度(DM)對調(diào)制性能進(jìn)行比較。設(shè)無激光時透射率為T(ω)off，當(dāng)施加激光時透射率為T(ω)on，對應(yīng)的調(diào)制深度為

DM(ω)=|[T(ω)on-T(ω)off]/T(ω)off|

(1)

為研究和對比靜態(tài)調(diào)制性能，我們將一定功率的808 nm激光聚焦成10 mm左右的光斑，并分別照射在P型硅、石墨烯修飾的P型硅和石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾的P型硅表面。在恒定功率激光照射下，運(yùn)用太赫茲時域光譜系統(tǒng)，對透射過樣品的太赫茲波脈沖進(jìn)行測試，分別得到在不同激光功率照射下的太赫茲透射譜，如圖3所示。由圖可見，光照下以石墨烯修飾的硅透射率較無光時的變化較大，因此具有更大的調(diào)制深度。在500 mW激光照射下，P型硅的平均透射率為50%，對應(yīng)的調(diào)制深度為9%，而石墨烯修飾硅的平均透射率為25%，對應(yīng)的調(diào)制深度為55%，調(diào)制深度提高了6倍。這是由于石墨烯與P型硅形成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)激光照射時，光生電子和空穴由于界面勢能的作用，將向相反的方向漂移和擴(kuò)散；達(dá)到平衡時，大量的光生載流子將被表面電勢分離而不能復(fù)合，從而造成載流子濃度較P型硅的光生載流子濃度高，因此獲得更大的調(diào)制深度[9]。

圖3 P型硅與石墨烯修飾的硅在不同恒定激光的照射下的太赫茲波透射譜

以相同的實驗方法，比較了在100 mW、300 mW和500 mW恒定激光照射下，P型硅、石墨烯修飾硅及石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅在0.2～1.0 THz的太赫茲波透射譜，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可見，無外界激光照射時，太赫茲波的透射圖譜基本重合。微弱的差異來源于石墨烯對太赫茲波較弱的吸收(2.3%左右)。由圖4(b)可見，當(dāng)激光功率為 100 mW 時，石墨烯修飾硅的太赫茲波平均透射率為 48%，相比于無光照條件下的靜態(tài)調(diào)制深度為14%。石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的太赫茲波平均透射率為 40%，調(diào)制深度為27%。因此，在100 mW激光照射下，氮化硼層的引入將比石墨烯修飾硅的太赫茲波靜態(tài)調(diào)制深度提高了約1倍。當(dāng)激光功率為 300 mW (見圖4(c))時，石墨烯修飾硅的太赫茲波平均透射率為 37%，對應(yīng)于無光照時的調(diào)制深度為32%；而石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的太赫茲波平均透射率為 25%,調(diào)制深度為55%，靜態(tài)調(diào)制深度較石墨烯修飾硅提高了約70%。 由圖4(d)可見，經(jīng)石墨烯修飾硅的太赫茲波平均透射率為25%，調(diào)制深度為55%；而石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的太赫茲波平均透射率為 13%，調(diào)制深度為76%，靜態(tài)調(diào)制深度提高了約40%。由此可見，氮化硼層的引入將提高石墨烯修飾硅的調(diào)制深度，特別是在較小激光功率的作用下，增強(qiáng)效果最明顯。氮化硼薄膜由于其較大的禁帶寬度和較小的厚度，讓氮化硼薄膜的引入將進(jìn)一步有效分離光生的電子和空穴，阻止他們的復(fù)合，從而提高穩(wěn)態(tài)時硅和石墨烯中的載流子濃度，獲得比石墨烯修飾硅更大的調(diào)制深度[14]。

圖4 不同激光功率下調(diào)制器對太赫茲的透射譜

為了研究石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅對太赫茲波的動態(tài)調(diào)制性能，我們將激光調(diào)制成方波信號并照射在樣品的表面，光斑的大小和激光峰值與之前的實驗條件一致，方波頻率逐漸增大。為了獲得動態(tài)調(diào)制性能，我們使用連續(xù)的太赫茲波源，其頻率為0.34 THz，太赫茲波的強(qiáng)度由一個肖特基二極管探測器實時測得。我們以頻率為100 Hz時所調(diào)制的載波信號峰-峰值為參考，將其他頻率下的幅值做歸一化處理，測得的調(diào)制太赫茲波的峰-峰值下降到3 dB時對應(yīng)的頻率作為調(diào)制速度。

圖5為不同功率激光下調(diào)制器調(diào)制速度圖。由圖可見，當(dāng)激光功率為100 mW時，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的調(diào)制速度為15 kHz，且在6 kHz以下，調(diào)制太赫茲波的幅值衰減較小。而石墨烯修飾硅對太赫茲波的調(diào)制速度為11 kHz，隨著頻率增加，其幅值一直減小。當(dāng)激光功率為300 mW時，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的調(diào)制速度仍為15 kHz，而石墨烯修飾硅的調(diào)制速度降低為9 kHz。當(dāng)激光功率為500 mW時，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的調(diào)制速度降低為13 kHz，而石墨烯修飾硅對太赫茲波的調(diào)制速度降低為7 kHz。由此可知，在相同功率激光的激勵下，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅較石墨烯修飾硅對太赫茲波的調(diào)制速度較快，且隨著激光功率的增加，石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅的調(diào)制速度衰減程度較小。這里石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)修飾硅具有較快的調(diào)制速度，可能是由于在氮化硼上，石墨烯具有更大的載流子遷移率。當(dāng)激光撤去后，在硅中累積的光生載流子可以在石墨烯進(jìn)行更快的復(fù)合。

圖5 不同功率激光下調(diào)制器調(diào)制速度圖

3 結(jié)束語

本文通過將二維的六方氮化硼插入石墨烯和硅之間，在石墨烯與硅之間加入一層薄的絕緣層，從而將石墨烯修飾硅對太赫茲波的光調(diào)制性能進(jìn)一步改善。其靜態(tài)調(diào)制深度在激光功率100 mW的作用下提高了1倍，調(diào)制速度最高可達(dá)15 kHz(100 mW)，且調(diào)制速度不會因為激光功率的變大而大幅衰減。