基于半导体的光控太赫兹波调制器件研究

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太赫兹(THz)波有着许多优异的特性,如高频宽带性、低能性、高时间分辨率等,使其在无线通信、安全检测以及缺陷检查等领域有着巨大的应用价值。在这些太赫兹应用场景中,太赫兹波调控技术不可或缺。在现有的光控太赫兹调控器件中,半导体调控器件占据了重要地位。其中硅基器件最受关注,但硅(Si)受限于其载流子寿命难以实现对太赫兹波的快速响应。砷化镓(GaAs)载流子寿命短,可用其制备对太赫兹波快速响应的调制器件。但砷化镓基调制器所需激光激励信号的能量大,不利于推广应用。另外,锗(Ge)具有较低的禁带宽度,可高效利用波长为1550 nm的激光,方便与现有光纤通信系统集成。半导体材料因为其较高的表面态密度,严重影响器件的性能。基于此,本文的工作重点为如何提高砷化镓基以及锗基光控太赫兹波调制器的调制深度,研究了表面钝化技术对GaAs基和Ge基光控太赫兹波调制器调制深度的影响。首先,研究了表面钝化技术对砷化镓基太赫兹波调制器调制性能的影响。通过H2SO4溶液对砷化镓进行了表面刻蚀,PL发光强度增加了2.5倍;通过(NH4)2S溶液对砷化镓进行了表面硫钝化,室温PL测试发现样品的最佳钝化时间为20 min,此时样品发光强度增加了约7倍,表明砷化镓表面态密度降低,表面复合速率减小。测试发现,在800 nm飞秒激光泵浦作用下,3 mW时酸刻蚀和硫钝化后的砷化镓对THz波的调制深度较裸砷化镓分别增加了11%和16%。但硫钝化的效果在空气中不稳定。因此,通过磁控溅射的方法在硫钝化后的砷化镓上沉积了一层96.3nm厚的Al2O3薄膜,它不仅可以提高硫钝化的稳定性,还可以增加激光的利用率。OPTP测试发现,在800 nm飞秒激光泵浦作用下,3 mW时硫钝化后沉积的Al2O3薄膜砷化镓对THz波的调制深度较裸砷化镓增加了12%,同时其稳定性大大提高。然后,研究了表面钝化技术对锗基太赫兹波调制器调制性能的影响。通过HF和H2O2混合溶液对锗表面进行钝化处理,通过单层石墨烯对锗表面进行场钝化处理,两种钝化方式对调制器的调制性能都有巨大的提升。测试发现,在1550 nm激光泵浦作用下,在激光功率为200 mW时,HF和H2O2与石墨烯钝化后的调制器调制深度分别为80%,83%,较裸锗增加了31%,34%。接着,研究了HF和H2O2与石墨烯双重钝化方式对锗基太赫兹波调制器调制性能的影响。Fico测试发现,在1550 nm激光泵浦作用下,在激光功率为200 mW时,双重钝化后的调制器调制深度为70%,较裸锗增加了21%。半导体表面钝化技术的研究始于上世纪,但其在THz领域的研究却鲜少见于文献。本文研究了表面化学钝化技术对GaAs基和Ge基光控太赫兹波调制器调制深度的影响,丰富了半导体材料表面化学钝化技术在光控THz调制器技术领域的研究,为实现高效THz调制器提供了一种新的选择方式。
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