一种石墨烯探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯探测器及其制备方法，该探测器由下至上包括基底、金属反射层、微桥结构和超材料结构；微桥结构由下至上包括第一支撑层、热敏薄膜层、电极层和钝化层，热敏薄膜层通过电极层与金属反射层电连接；超材料结构包括第二支撑层、金属层、种子层和石墨烯薄膜层，第二支撑层设置于钝化层表面，第二支撑层上形成有金属层，金属层上形成有种子层，种子层表面生长形成石墨烯薄膜层。本发明专利技术的石墨烯探测器，采用CVD直接生长石墨烯作为探测器的超材料层，显著提高了探测器的光学吸收率和响应率，优化了器件性能，且制备工艺简单，避免了转移过程中对石墨烯薄膜的损伤。

Graphene detector and preparation method thereof

The invention discloses a graphene detector and a preparation method thereof. The detector comprises a substrate, a metal reflective layer, a micro-bridge structure and a super-material structure from bottom to top; the micro-bridge structure comprises a first support layer, a thermal sensitive film layer, an electrode layer and a passivation layer from bottom to top; and the thermal sensitive film layer is electrically connected with the metal reflective layer through an electrode layer. The metamaterial structure includes a second support layer, a metal layer, a seed layer and a graphene film layer. The second support layer is arranged on the surface of the passivation layer, and a metal layer is formed on the second support layer. A seed layer is formed on the metal layer, and a graphene film is formed on the surface of the seed layer. The graphene detector of the invention adopts CVD to directly grow graphene as the super material layer of the detector, remarkably improves the optical absorption and response rate of the detector, optimizes the device performance, and has simple preparation process, and avoids the damage to the graphene film during the transfer process.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯探测器及其制备方法
本专利技术属于半导体技术中的微机电系统(MEMS:Micro-electromechanicalSystems)工艺制造领域，尤其涉及一种石墨烯探测器及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz)是指频率在0.1THz—10THz波段内的电磁波，其频率介于红外和毫米波之间。由于太赫兹辐射的能力比较低，而且多数非极性物质和常用介电材料对太赫兹波吸收较少，因此对物质有极强的穿透性，并且具有安全性高、定向性好和带宽高等技术特性，使其在材料科学、成像技术、生物医学，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。太赫兹探测器主要包括热释电型、二极管型、高莱探测器以及微测辐射热计等，微测辐射热计由于其可阵列化，且与红外探测器工艺兼容等特性，成为目前研究的重点。传统的具有微桥结构的太赫兹探测器由红外探测器发展而来的，相比于红外辐射，太赫兹辐射的波长较长，导致具有微桥结构的太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收较低，严重影响了太赫兹探测器的性能。超材料是由几种材料组合在一起而形成的复合材料，是一种人工合成材料。超材料由亚波长周期性谐振单元构成，通过调整他们的几何形状，尺寸可以得到任意的介电常数和磁导率。因此，在太赫兹波段，通过合理的设计，基于超材料吸收结构的太赫兹探测器可以对太赫兹辐射产生良好的吸收，有效地弥补了传统红外测辐射热计在太赫兹波段吸收不佳的劣势。目前的超材料太赫兹器件多采用金、铜等高电导率材料，为了达到更低频率的吸收，甚至在超材料基础上还要加上较厚的谐振腔或者使用电导率较大的金作为超材料结构中的金属层，然而制作厚度达到几微米甚至几十微米的谐振腔，不仅增加了工艺难度，还有可能降低器件的可靠性；而选择电导率大的金则需要增加结构热容，降低了探测器对太赫兹的响应率。综上所述，亟需一种高吸收率、高响应率且制备工艺简单的太赫兹探测器，以解决现有技术中的太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收率和响应率较低、制备工艺难度大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种石墨烯探测器及其制备方法，本专利技术的石墨烯探测器，采用CVD直接生长石墨烯作为探测器的超材料层，解决了传统的微测辐射热计型太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收率和响应率较低的问题，优化了器件性能，且制备工艺简单，避免了转移过程中对石墨烯薄膜的损伤。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种能够探测太赫兹的石墨烯探测器，所述探测器至少包括基底，金属反射层，微桥结构，以及超材料结构；所述金属反射层形成于所述基底上；所述微桥结构设于所述金属反射层上，所述微桥结构包括第一支撑层、热敏薄膜层、电极层和钝化层；所述第一支撑层设置于所述金属反射层上方，所述第一支撑层的上表面形成有所述热敏薄膜层，所述热敏薄膜层上方形成有所述电极层，所述热敏薄膜层通过所述电极层与所述金属反射层电连接，所述电极层上形成有所述钝化层；所述超材料结构设于所述微桥结构上，所述超材料结构包括第二支撑层、金属层、种子层和石墨烯薄膜层；所述第二支撑层支撑设置于所述钝化层表面，所述第二支撑层上形成有所述金属层，所述金属层上形成有所述种子层，所述种子层表面生长形成所述石墨烯薄膜层。本专利技术的石墨烯探测器采用双层微桥结构，提高器件占空比，增加太赫兹辐射的有效吸收面积从而提高太赫兹辐射吸收率；第二层微桥位于第一层微桥的上方，其中第二层微桥结构上形成由第二支撑层、金属层、种子层和石墨烯薄膜层组成的超材料结构，超材料的尺寸和图形可以根据探测频率的需求进行调整，以适应不同频率的太赫兹辐射，通过改变探测器整体的尺寸和石墨烯超材料的结构，调整探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率，无需增加谐振腔的厚度，制备工艺简单，且保证了石墨烯探测器的可靠性。石墨烯具有高电导率、高热导率和低热容，本专利技术以石墨烯作为太赫兹探测器的超材料层，利用石墨烯的高电导率，在不增加吸收腔厚度的基础上显著提高探测器对太赫兹辐射的吸收率，降低了制备工艺难度，且能够沉积比金等传统金属材料更薄的薄膜，减小薄膜的应力不匹配并增强探测器的灵敏度和分辨率，缩小探测器的重量和尺寸，增加探测器的便携性；石墨烯的高热导率和低热容能够减小探测器的热容，优化探测器的响应时间，解决了传统的微测辐射热计型太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收率和响应率较低的问题，优化了器件性能。具体地，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的正方形，所述正方形表面设有多个间隔均匀分布的正方形孔，通过调整所述石墨烯探测器的像元尺寸、所述正方形孔的形状大小和所述正方形孔在所述正方形表面的分布，能够优化探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率。进一步地，所述石墨烯探测器的像元尺寸为8um～35um，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的正方形，所述正方形的四角处设有倒角，所述正方形表面设有多个间隔均匀分布的第一正方形孔，所述正方形孔排列组成“回”字形结构，每一个所述第一正方形孔的边长为0.5um～3um，相邻两个所述第一正方形孔之间的直接间隔为0.5um～3um；或者，所述石墨烯探测器的像元尺寸为16um～70um，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的正方形，所述正方形表面设有多个间隔均匀分布的第二正方形孔，所述第二正方形孔排列组成“回”字形结构。优选地，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的框型结构，通过调整所述框型结构的图形形状，能够优化所述石墨烯探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率。具体地，所述超材料结构的俯视图为以下三种中的任意一种：a.所述超材料结构的俯视图为中心对称的四开口谐振环形，通过调整所述四开口谐振环的图形形状，能够优化所述石墨烯探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率；b.所述超材料结构的俯视图为多个同心闭合环，所述闭合环形状为方形或圆形；c.所述超材料结构的俯视图为正方形框型结构，其正方形外框的一组对边的中点通过中心线相互连接，另一组对边的中点处均设有开口，所述开口的两端均向所述中心线方向延伸。优选地，所述石墨烯探测器的像元尺寸为32um～140um，所述超材料结构的俯视图为以下三种中的任意一种：a’.所述超材料结构的俯视图为中心对称的四开口谐振环形，所述四开口谐振环的外框为四边开口的正方形边框，所述正方向边框四边的中点处开口，所述正方形边框的四个角分别通过对角线连接；b.所述超材料结构的俯视图为多个同心闭合环，所述闭合环形状为方形或圆形；c.所述超材料结构的俯视图为正方形框型结构，其正方形外框的一组对边的中点通过中心线相互连接，另一组对边的中点处均设有开口，所述开口的两端均向所述中心线方向延伸。进一步地，所述石墨烯探测器的像元尺寸为64um～280um，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的四开口谐振环形，所述四开口谐振环的开口尺寸为0.5um～10um，所述四开口谐振环的图形形状为以下四种中的任意一种：a’.所述四开口谐振环的外框为四边开口的正方形边框，所述正方向边框四边的中点处开口，所述正方形边框的四个角分别通过对角线连接；d.所述四开口谐振环的外框为正方形边框，所述正方形边框内设有四个相同的等边梯形，四个所述等边梯形的顶边相对围成一个非闭合正方形，四个所述等边梯形的底边分别与相对的正方形边框连接；e.所述四开口谐振环的外框为四角开口的正方形边框本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯探测器，其特征在于，所述探测器至少包括：基底(1)，金属反射层(2)，微桥结构，以及超材料结构；所述金属反射层(2)形成于所述基底(1)上；所述微桥结构设于所述金属反射层(2)上，所述微桥结构包括第一支撑层、热敏薄膜层(8)、电极层(12)和钝化层(14)；所述第一支撑层设置于所述金属反射层(2)上方，所述第一支撑层的上表面形成有所述热敏薄膜层(8)，所述热敏薄膜层(8)上方形成有所述电极层(12)，所述热敏薄膜层(8)通过所述电极层(12)与所述金属反射层(2)电连接，所述电极层(12)上形成有所述钝化层(14)；所述超材料结构设于所述微桥结构上，所述超材料结构包括第二支撑层(17)、金属层(18)、种子层(19)和石墨烯薄膜层(20)；所述第二支撑层(17)设置于所述钝化层(14)表面，所述第二支撑层(17)上形成有所述金属层(18)，所述金属层(18)上形成有所述种子层(19)，所述种子层(19)表面生长形成所述石墨烯薄膜层(20)。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯探测器，其特征在于，所述探测器至少包括：基底(1)，金属反射层(2)，微桥结构，以及超材料结构；所述金属反射层(2)形成于所述基底(1)上；所述微桥结构设于所述金属反射层(2)上，所述微桥结构包括第一支撑层、热敏薄膜层(8)、电极层(12)和钝化层(14)；所述第一支撑层设置于所述金属反射层(2)上方，所述第一支撑层的上表面形成有所述热敏薄膜层(8)，所述热敏薄膜层(8)上方形成有所述电极层(12)，所述热敏薄膜层(8)通过所述电极层(12)与所述金属反射层(2)电连接，所述电极层(12)上形成有所述钝化层(14)；所述超材料结构设于所述微桥结构上，所述超材料结构包括第二支撑层(17)、金属层(18)、种子层(19)和石墨烯薄膜层(20)；所述第二支撑层(17)设置于所述钝化层(14)表面，所述第二支撑层(17)上形成有所述金属层(18)，所述金属层(18)上形成有所述种子层(19)，所述种子层(19)表面生长形成所述石墨烯薄膜层(20)。2.根据权利要求1所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的正方形，所述正方形表面设有多个间隔均匀分布的正方形孔，通过调整所述石墨烯探测器的像元尺寸、所述正方形孔的形状大小和所述正方形孔在所述正方形表面的分布，能够优化探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率。3.根据权利要求2所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的正方形，所述正方形的四角处设有倒角，所述正方形表面设有多个间隔均匀分布的第一正方形孔，所述正方形孔排列组成“回”字形结构。4.根据权利要求1所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的框型结构，通过调整所述框型结构的图形形状，能够优化所述石墨烯探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率。5.根据权利要求4所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述超材料结构的俯视图为以下三种中的任意一种：a.所述超材料结构的俯视图为中心对称的四开口谐振环形，通过调整所述四开口谐振环的图形形状，能够优化所述石墨烯探测器在不同低频率窗口下的光学吸收率；b.所述超材料结构的俯视图为多个同心闭合环，所述闭合环形状为方形或圆形；c.所述超材料结构的俯视图为正方形框型结构，其正方形外框的一组对边的中点通过中心线相互连接，另一组对边的中点处均设有开口，所述开口的两端均向所述中心线方向延伸。6.根据权利要求5所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述超材料结构的俯视图形为中心对称的四开口谐振环形，所述四开口谐振环的图形形状为以下四种中的任意一种：a’.所述四开口谐振环的外框为四边开口的正方形边框，所述正方向边框四边的中点处开口，所述正方形边框的四个角分别通过对角线连接；d.所述四开口谐振环的外框为正方形边框，所述正方形边框内设有四个相同的等边梯形，四个所述等边梯形的顶边相对围成一个非闭合正方形，四个所述等边梯形的底边分别与相对的正方形边框连接；e.所述四开口谐振环的外框为四角开口的正方形边框，所述正方形边框的两组对边分别通过中心线连接，构成“十”字形；f.所述四开口谐振环的外框为四边开口的正方形边框，所述正方形边框内呈“卍”形结构。7.根据权利要求1所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述第二支撑层(17)的材质为氧化硅或氮化硅，所述金属层(18)的金属材质为TiN、Ti或NiCr，所述种子层(19)用于生长石墨烯，所述种子层(19)的材质为Cu。8.一种石墨烯探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤01：提供基底(1)，在基底(1)上沉积得到金属反射层(2)；步骤02：在所述基底(1)表面形成第一牺牲层(4)，在所述第一牺牲层(4)上形成微桥结构，所述微桥结构包括第一支撑层、热敏薄膜层(8)、电极层(12)和钝化层(14)；所述第一支撑层支撑设置于所述金属反射层(2)上方，所述第一支撑层的上表面形成有所述热敏薄膜层(8)，所述热敏薄膜层(8)上形成有所述电极层(12)，所述热敏薄膜层(8)通过所述电极层(12)与所述金属反射层(2)电连接，所述电极层(12)上形成有所述钝化层(14)；步骤03：在所述第一牺牲层(4)和所述微桥结构顶面形成第二牺牲层(15)，在所述第二牺牲层(15)上形成超材料结构，所述超材料结构包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，王杰，孙丰沛，陈文礼，王宏臣，
申请(专利权)人：烟台睿创微纳技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37