作者简介:唐亚华(1995—),女,电子科技大学硕士研究生.研究方向:太赫兹科学与技术.E-mail:599294104@qq.com
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电子科技大学电子科学与工程学院,四川成都611731
School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, Sichuan Province, P.R.China
electromagnetic field and electromagnetic waves; terahertz; tunable metasurface; amplitude modulation; phase-change material; vanadium dioxide; silicon substrate
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2019.02182
利用二氧化钒薄膜的绝缘-金属相变特性,在硅基片上设计并制备了一种电压控制的超表面调制器件,研究在太赫兹频率范围内超表面器件的透射特性和电控可调谐特性.实验结果表明,当太赫兹波垂直入射可调超表面器件表面时,器件的透射谱线在0.31 THz处达到最高峰值; 而当电压从0 V加至8 V时,器件的透射率明显降低,在0.41 THz处峰值最低; 在0.2~0.6 THz整个波段内,调制深度最大可以达到59%; 而通过对器件施加电压,可以实现在两种不同谐振状态之间的可控,并产生对太赫兹透射率的调制.该实验结果对太赫兹可调超表面的研究发展具有重要意义.
Based on the insulation-metal phase transition characteristics of vanadium dioxide thin films, an metasurface-based electronically controlled terahertz modulation device is designed and fabricated on a high-resistance silicon substrate. The transmission and electronically controlled tunable characteristics of the metasurface in the terahertz frequency range are studied. The experimental results show that when the terahertz wave is perpendicular to the surface of the tunable metasurface device, the transmission line of the device reaches the highest peak at 0.31 THz. And when the voltage increases from 0 V to 8 V, the transmission rate of the device significantly decreases, and the lowest peak value is at 0.41 THz. The modulation depth can be up to 59% in the entire band of 0.2- 0.6 THz. By controlling the applied voltage, the device can switch freely between two resonant states with a large difference in transmittance. The experimental results are of great significance for the research and development of terahertz tunable metasurface.
引 言
太赫兹波是一种频谱介于微波和红外之间的电磁波,频率范围在0.1~10.0 THz[1].其特殊的频率范围使太赫兹波具备一些独特性质,包括穿透性强、光子能量低以及对生物大分子具有“指纹”特性等,从而使太赫兹波在无线通信、无损检测、成像及传感等方面具有巨大的应用前景.这些潜在应用的实现都需要一些能够调控太赫兹波的功能器件来组建,如太赫兹波调制器、偏振器及滤波器等[2].由于目前缺少与太赫兹波发生电磁响应的天然材料,这些功能器件的研究与微波波段相比还相对落后.人工电磁材料的出现很好解决了这一问题,其中超表面由于结构简单制造容易,更是受到了众多研究学界和产业界的欢迎与期待[3-5].
超表面是一种人工合成的亚微米结构,通常是由平面金属或电介质材料组成的二维阵列.通过改变超表面结构单元的几何形状、大小或电介质材料,即可对入射太赫兹波的振幅、相位和传播方向进行调控,由此实现超薄透镜、光束偏转器和四分之一波片等太赫兹波段调控器件[6-7].也可以通过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,实现对太赫兹波的动态调控.
二氧化钒薄膜是一种典型的相变材料,当受到外部激励(如热、 电或光)的作用时,其晶格由单斜金红石结构变为四方金红石结构,VO2由绝缘态相变为金属态,电阻率会有3~5个数量级的变化,此时金属态的VO2薄膜对太赫兹波表现为高阻,即太赫兹波不能透过; 而绝缘态的VO2薄膜则对太赫兹波呈现高透[8].因此,以VO2等为代表的功能材料被广泛用于各类可调谐器件,如太赫兹开关器件[9],可调滤波器等.ZHOU等[10]在蓝宝石基底上将VO2薄膜制备成栅状,并与具有一定形状的金薄膜一起构成一种周期性结构,实现对太赫兹波的动态调制,通过热触发VO2薄膜发生相变,在0.7 THz处器件的调制深度超过87%.SHIN等[2]通过在VO2薄膜上制作金属栅结构实现太赫兹极化开关,其极化程度(degree of polarization, DOP)和消光比(extinction ratio, ER)等特性可与商业上的极化开关器件相比拟,且器件的太赫兹波调制深度高达89%.虽然基于VO2薄膜的太赫兹超表面结构器件研究现已取得一定进展,但这些器件中VO2薄膜的位置大都在金属薄膜的孔缝处,与金属薄膜在同一平面内,限制了器件的设计与优化,而且触发VO2薄膜发生相变的方式大多为温度激励,限制了器件的通用性与响应速度[11-13].
本研究利用半导体制造工艺,以高阻硅作为衬底,在选定的区域进行扩散后,利用磁控溅射技术生长VO2薄膜,再将VO2薄膜切割成方块状,与一定形状的金薄膜结构结合,构成一种电压可调谐的超表面器件.器件借助埋栅工艺构建一种类似晶体管的结构,使加电方式以及金薄膜与埋栅所构建的等效电容均垂直于器件表面[14].该方案提高了可调器件设计的灵活性(主要体现为可以在高阻硅片和VO2薄膜之间,加入SiO2或者Al2O3绝缘层提升器件性能参数),而且降低了器件的制备难度.通过控制外加电激励的方式可实现器件在两种透射率差别较大的谐振状态进行切换,有助于实现对整个超表面器件中任意一个单元的控制,对可调超表面的发展具有重要意义.
优化设计的太赫兹超表面调制器结构示意图如图1,每个单元大小为200 μm×200 μm,整个单元包含3个介质层,分别为金膜-VO2薄膜-硅基片.金膜的厚度h1=200 nm,方环的线宽w=10 μm,方环的长度a=140 μm,中间介质层VO2薄膜的厚度为h2=120 nm,常温下薄膜的方阻为2.7 kΩ,最下面衬底材料高阻硅片的厚度为H=500 μm,硅片的电阻率大于10 000 Ω·μm·cm,埋栅线条的最小宽度wl=5 μm,器件的其余尺寸如图1(b),wc=30 μm, g=30 μm.调制器由41×58个单元周期性排列组成.
金膜和VO2薄膜均利用射频磁控溅射技术镀制,VO2薄膜的镀制以金属钒为靶材,高纯氧气作为反应气体,在本底真空8×10-4 Pa时通入氩气至工作气压1 Pa,再通入分压为4%~6%的氧气,在550 ℃的衬底温度条件下进行溅射,溅射功率为200 W.在硅衬底上镀制的VO2薄膜性能如图2(a).加热过程中样品方阻发生显著变化:当温度低于50 ℃时,方阻一直维持在2.4 kΩ以上,而在相变温度点附近方阻急剧下降,到90 ℃时方阻约为13 Ω,电阻变化率接近3个数量级.图2(a)插图为Si基片上溅射的VO2薄膜的典型X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)图谱.在2θ=69°附近为Si基片的峰, 2θ=28.1°处有一个弱衍射峰,为M相VO2的(011)晶向.由XRD图谱可见,Si基片上制备的VO2薄膜结晶状况不是很好.利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)系统测试Si基片上所制备的VO2薄膜透射曲线(以空气做参考进行傅里叶变换),如图2(b).由透射曲线可见,在0.2~0.6 THz,VO2薄膜发生相变前的透射率在70%左右,而发生相变后的透射率变为30%左右.
图2 VO2薄膜的性能曲线(实验)
Fig.2 VO2 film performance curve(experiment)
埋栅利用扩散工艺制备,因为n型杂质的电子迁移速率远大于p型杂质,所以实验采用磷源作为扩散杂质.将刻蚀了埋栅图案的硅片放置于磷源之间,在扩散炉升温至850 ℃时,将硅片和磷源推入石英管的恒温区,以1 L/min的氮气作为保护气继续升温至1 000 ℃,恒温40 min后掺入磷杂质,最终得到掺有n型杂质的埋栅,经测试制备的埋栅方阻为5 Ω.
图3 不同电阻值的VO2薄膜对应的仿真图像
Fig.3 Simulation images of VO2 film with different resistance values
利用电磁仿真软件CST(computer simulation technology)计算超表面器件的透射率随VO2薄膜电阻变化,结果如图3.由图3(a)可见,当VO2薄膜的电阻值为10 kΩ时,超表面器件的透射率在0.41 THz处出现一个透射峰,透射率超过80%.随着VO2薄膜电阻值的逐渐减小, 分别为2 871.43、1 445.71、800.00、530.00 Ω及190.00Ω时,器件的透射率也逐渐降低.当VO2薄膜的电阻值减小为20 Ω时,透射率的峰值低于10%,透射率最低点对应的频率为0.46 THz.此外, 若VO2薄膜的电阻值能减小到20 Ω以下,器件透射率最低处的峰值将更接近0.与其他可调超表面器件相比,一般超表面器件的谐振峰在没有调控之前对太赫兹波是高阻的(透射率较低),而本研究所设计器件在无激励施加时,谐振峰对太赫兹波高透,施加激励之后谐振峰对太赫兹波高阻.这表明通过控制VO2薄膜电阻值的变化,可实现器件透射率幅度调制功能.VO2薄膜电阻值降低的过程就是通过光、热及电等外部激励触发VO2薄膜相变的过程.
图3(b)是VO2薄膜的电阻为10 kΩ和20 Ω时,超表面器件相位变化的仿真图像.可见,当频率从0.30 THz到0.51 THz变化时,VO2薄膜电阻值为10 kΩ的相位值不断减小,VO2薄膜电阻值为20 Ω的相位值先减后增,与阻值为10 kΩ的相位曲线相交于0.45 THz处.因为这两种阻值的相位有较大差别,器件的谐振频点也会有一定差别,即超表面器件透射率峰值处的谐振频率不完全一致,产生了频移.
实验测试所用的THz-TDS FICOTM系统是一种集成式太赫兹时域光谱分析仪,其使用光纤耦合1.5 μm脉冲种子激光作为泵浦光和探测光.在对样品透射系数和反射系数的测量时,FICO的全波形采样速率可以达到500 Hz,时间分辨率可达20 fs,平均输出功率为105 mW,能够在0.1~3.0 THz快速扫描成像[15].
由于VO2薄膜相变发生的时间短,通常在皮秒量级,而且相变点前后电阻值的变化很微小,因此,在相变发生前后的一段时间里,器件透射率的变化幅度非常小,只有在相变发生时透射率的幅度才会有很大变化,因此在实验中,只观察到相变前后透射率的变化,没有得到仿真结果中透射率逐渐变化的结果.当在制备超表面器件上施加0、1、8 V及13 V电压时,透射率变化的实验结果如图4(a).可见,当电压为0 V时,在0.30 THz处透射率最高为51.7%; 当电压为13 V时,在0.41 THz处透射率最低为23.1%.根据施加电压为0 V和8 V的透射率测试值计算,绘制器件在0.2~0.6 THz调制深度的变化曲线如图4(b).可见,在0.36 THz处调制深度最大为59%.本研究正是利用VO2薄膜的这一特性设计了可调超表面调制器,相比较热、光和磁场等控制方式,利用电压控制更简单,且易于实现.
虽然测试得到的透射率曲线变化趋势与仿真得到结果大致相同,但频率值和透射率值均不一样.实验加电压0 V与8 V的透射曲线与仿真中VO2薄膜电阻值是1 445.71 Ω和190.00 Ω的透射曲线相仿.这并不意味着实验中VO2薄膜的电阻值与仿真中相同透射率对应的电阻数值相同(即实验相变前后薄膜的电阻值不一定只改变1个数量级),而是由于:① 考虑到可操作性,实验选取的硅基片厚度为500 μm,仿真计算中设置的硅基片厚度为100 μm,这样的差异会使透射率值降低,并且高阻硅片本身对太赫兹波有一定的阻挡作用,实验透射率在利用傅里叶变换进行计算时是以空气作为参考,没有排除高阻硅自身对透射率的影响(如果利用相同衬底的硅片做参考进行计算,可得更高的透射率及调制深度曲线); ② 由于实验镀制的VO2薄膜与衬底硅晶格失配引起界面处出现大量位错,生成的VO2薄膜产生很多缺陷导致结构疏松,因此相变的电阻率变化并没有达到3个数量级,也不能达到仿真计算中的4个变化量级,若能在高阻硅片和VO2薄膜之间加入SiO2或者Al2O3,就能改善VO2的薄膜质量,提升电阻率变化的数量级,进而提升透射率以及调制深度.因此,实验得到的谐振频率与仿真不同,主要是由于实验光刻和等离子刻蚀等步骤造成器件结构单元的尺寸值与仿真设计值不同而造成.
由于热和电都可以触发VO2薄膜产生相变,对于本研究设计的器件,外界施加电压同时也会在器件有电流通过的地方产生相应的焦耳热,因此器件中VO2薄膜的相变很可能是电场和焦耳热共同作用的结果.由图4(c)绘制得超表面器件I-V曲线可近似计算器件产生的焦耳热,此处不做定量分析.由于焦耳热的耗散过程较长,因而将制约器件的开关速度.本课题组的前期研究表明,在高阻硅片和VO2薄膜之间加入SiO2或Al2O3绝缘层,可以改善VO2的薄膜质量,并显著降低所产生的电流,因此也可以减少焦耳热的产生,从而有望提高器件的开关速度[8].
图5为超表面器件透射率值最高和最低处(对应频率分别为0.41 THz和0.46 THz)的电场分布情况.图5(a)为超表面器件谐振频率为0.41 THz时的电场分布,此时VO2薄膜是绝缘相,谐振的主要位置在金属-VO2-埋栅的垂直接触面附近,其最大电场可达3.47×106 V/m,而金薄膜结构的边缘位置附近谐振较弱,最大仅有5.62×105 V/m.图5(b)为谐振频率为0.46 THz的电场分布,此时VO2薄膜是金属相,其谐振发生位置与VO2薄膜在绝缘相时恰好相反,主要发生在金薄膜结构的边缘位置附近,且谐振强度最大值约为5.35×105 V/m,稍弱于VO2薄膜为绝缘相时的谐振强度,这是因为在金薄膜和埋栅与VO2接触的孔缝处,太赫兹波作用会积累一定电荷,当把绝缘相的VO2看作电介质时,这种垂直结构可等效为一个电容.而金薄膜和埋栅均具有导电性,其本身具有一定的电阻和电感,与上述的电容一起构成一个LC谐振电路产生谐振.当VO2变为金属相时,导电能力增强,电荷可在其中自由流动,因此可将其看作是上层金薄膜与埋栅相连通的导线,太赫兹波作用产生的电荷不再在孔缝处积累,孔缝处的电容消失.相邻单元间的金薄膜方框上又因为积聚了相反极性的电荷形成一种单元间的电容,产生另一种谐振状态.相邻单元间的金薄膜方框形成的电容远小于金薄膜-VO2-埋栅孔缝处,因此这两种谐振状态的谐振频率以及峰值处的透过率均有差异.
本研究设计并制作一种电压调控的超表面器件,利用VO2薄膜的相变原理实现器件的透射率幅度调制.当太赫兹波垂直于器件表面入射, 从0 V施加电压至8 V时,实验测得在0.31 THz和0.41 THz处器件的透射率数值出现很大差别,且在整个0.2~0.6 THz波段内,超表面器件的调制深度最大可达59%.这种超表面器件的加电方式和等效电容结构均垂直于器件表面,增加了器件设计的灵活性(在结构中加入SiO2或者Al2O3绝缘层提升器件性能参数),降低器件的制备难度.这种独特的加电方式有利于实现对阵列中每个结构单元的单独控制,以达到特定的太赫兹波调制效果.该调制器结构的实现为动态可调的太赫兹表面超表面调制器提供一种切实可行的方法.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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