Высокопроизводительный всеоптический терагерцовый модулятор на основе графин/TiO₂/p-Si трислойных гетероструктур

Аннотация

Мы представляем трислойный терагерцовый (ТГц) модулятор, интегрирующий p-типа кремний (p-Si) подложку, тонкий TiO₂ промежуточный слой и монослойный графин. Si/TiO₂ интерфейс создает встроенное электрическое поле, которое драйвит фото-генерованные электроны из Si в TiO₂, и последовательно инъецирует их в графин. Этот электронный перенос поднимает уровень Ферми графена, увеличивает его проводимость и следовательно аттенюирует переданное ТГц излучение. Устройство достигает полосовой модуляции по 0,3–1,7 ТГц с максимальной глубиной 88% под 808-нм лазерным возбуждением. Эти результаты демонстрируют перспективу графин/TiO₂/p-Si гетероструктуры для систем терагерцовой визуализации и коммуникаций следующего поколения.

Введение

Терагерцевая (ТГц) визуализация и коммуникации — быстро развивающиеся области, полагающиеся на эффективные модуляторы для контроля передачи и отражения волн. Традиционные полупроводниковые модуляторы на Si или Ge часто недостаточны в глубине модуляции, побуждая исследование новых материалов, таких как метаматериалы и фазово-меняющие среды вроде VO₂. В то время как метаматериал-базированные устройства предлагают высокую скорость, их узкая полоса и сложная фабрикация ограничивают практичность. VO₂ модуляторы, драйвимые температурой или напряжением-индуцированными фазовыми переходами, страдают от медленной термической динамики.

Графин, с его исключительной подвижностью носителей, настраиваемой проводимостью и механической робастностью, стал универсальной платформой для ТГц модуляции. Ранние электрически контролируемые графин модуляторы, комбинированные с метаматериалами, достигали до 47% амплитудной и 32% фазовой модуляции. Полевые транзисторы на графине, однако, были ограничены умеренной инъекцией носителей. Недавние графин/n-Si устройства достигли почти единичной (99%) модуляции под фемтосекундным лазерным накачкой, но требовали внешних электрических полей для оптимальной производительности.

TiO₂, низкостоимостный, химически стабильный оксид, доказал эффективность в улучшении зарядного разделения на полупроводниковых интерфейсах, как показано в MoS₂/TiO₂ и перовскит/TiO₂/Si фото-детекторах. Используя встроенное поле TiO₂ для улучшения экстракции носителей, мы изготовили графин/TiO₂/p-Si гетероструктуру, дающую 88% полосовую ТГц модуляцию от 0,3 до 1,7 ТГц, используя простой 808-нм полупроводниковый лазер.

Методы

500-микронные p-Si вейферы (ρ ≈ 1–10 Ом·см) последовательно ультразвуковывали в ацетоне, этаноле и деионизированной воде, затем травляли в 4,6 М HF 10 мин для удаления нативного оксида. 10-нм TiO₂ пленку выращивали погружением очищенного Si в 0,1 М TiCl₄ при 343 К на 1 час. Монослойный графин синтезировали на меди химическим осаждением из паровой фазы и переносили на TiO₂ мокрым методом травления, формируя 1 см² графин/TiO₂/p-Si стек. Рамановская спектроскопия подтвердила монослойное качество (G ~1580 см⁻¹, 2D ~2681 см⁻¹). UV-vis абсорбция и ультрафиолетная фотоэмиссионная спектроскопия (UPS) характеризовали оптические зазоры и выравнивание зон. Статическая ТГц модуляция измерялась системой Fico ТГц time-domain (Zomega Terahertz Corp.).

Результаты и обсуждение

Рис. 1a иллюстрирует геометрию устройства: 808-нм полупроводниковый лазер (пятно ~5 мм) и ~3 мм ТГц луч одновременно освещают графин сторону. Лазерная мощность варировалась от 0 до 1,4 кВт/см². Рамановские спектры (рис. 1b) показывают незначительные сдвиги G и 2D пиков, когда графин лежит на TiO₂, указывая на легкое напряжение, но сохраняющуюся монослойную целостность.

Рис. 2a–c показывает ТГц трансляцию голого Si, графин/Si и графин/TiO₂/Si под растущей лазерной мощностью. Без фото-возбуждения все образцы передают ~55% ТГц энергии; TiO₂ и графин вводят незначительные потери. При освещении трансляция падает по 0,3–1,7 ТГц из-за повышенной проводимости от фото-генерованных носителей. Графин/Si устройство показывает более крутое падение, чем Si в одиночку, потому что носители, диффундирующие в высокоподвижный графин, усиливают изменения проводимости. Графин/TiO₂/Si структура демонстрирует наиболее выраженную аттенюацию: при 1400 мВт трансляция падает до ~10%, давая 88% глубину модуляции. Глубина модуляции (ΔT = (T₀ – T)/T₀) против лазерной мощности на рис. 2d, подтверждая, что TiO₂ слой усиливает разделение носителей и инъекцию в графин.

Измерения зонных краев (рис. 3) раскрывают Si и TiO₂ зазоры 1,19 и 2,98 эВ соответственно. UPS данные дают выходные работы 5,85 эВ (Si), 5,21 эВ (TiO₂) и 5,75 эВ (графин), и валентные зонные максимумы –6,35 эВ (Si) и –7,09 эВ (TiO₂). Результирующая зональная диаграмма (рис. 4) показывает полностью обедненный 10-нм TiO₂ слой, образующий n-типа проводимый канал под освещением, драйвящий электроны в графин и сдвигая его уровень Ферми вверх. Этот процесс повышает проводимость графена и увеличивает ТГц абсорбцию.

В целом, трислойная гетероструктура достигает высокоскоростной, полосовой ТГц модуляции простой всеоптической схемой, избегая сложного электрода осаждения и фемтосекундного лазерного накачки.

Заключение

Мы изготовили низкостоимостный, всеоптический терагерцевый модулятор на основе графин/TiO₂/p-Si трислоя. Устройство предлагает 88% глубину модуляции на 0,3–1,7 ТГц, драйвимую 808-нм полупроводниковым лазером. TiO₂ промежуточный слой создает p-Si переход, усиливающий разделение носителей; фото-электроны мигрируют в TiO₂ и затем в графин, поднимая его уровень Ферми и проводимость, тем самым аттенюируя ТГц передачу. Простая мокрая фабрикация и отсутствие электродов делают эту архитектуру привлекательной для масштабируемых ТГц визуализации и коммуникационных приложений.

Аббревиатуры

p-Si:

P-типа кремний

THz:

Терагерц

UPS:

Ультрафиолетная фотоэмиссионная спектроскопия