一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，所述探测器包括衬底、石墨烯异质结沟道层、源极金属天线电极层、漏极金属电极层、栅极绝缘层和栅极金属天线电极层；其中，所述石墨烯异质结沟道层于所述衬底上，所述栅极绝缘层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层之上，部分或全部所述源极金属天线电极层和漏极金属电极层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层两端，所述栅极金属天线电极层引出线形成在部分所述栅极绝缘层上。本发明专利技术还公开了上述探测器的制备方法。本发明专利技术结合了特殊的天线设计以及使用了电学特性优异的石墨烯和二维材料形成的异质结，提高探测器对红外及太赫兹辐射的吸收率。

【技术实现步骤摘要】
一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法
本专利技术属于太赫兹
，具体涉及一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(THz)波是介于微波与红外之间，频段为0.1THz-10THz的电磁波。20世纪末以来，由于飞秒激光、光电导开关和光整流等技术的发展，太赫兹技术及其应用得到迅速发展。其中，固态电子学太赫兹源、探测器以及电真空太赫兹器件取得了重要突破，太赫兹电子学蓬勃发展，进一步推动了太赫兹技术的实际应用。随着太赫兹技术应用的广泛开展,对太赫兹波探测器的响应时间、灵敏度、带宽、信噪比和工作环境等性能也提出了越来越高的要求。受限于太赫兹辐射源的低输出功率和太赫兹频率范围内较高的热辐射背景噪声等因素,在不同适用环境和工作范围内各种太赫兹探测器相互补充。目前，随着国内外对太赫兹探测器更进一步的研究,不断提出新型的探测器结构，或者改进已有的探测器，性能不断提高。太赫兹探测也从实验室走向广泛的实际应用，如天文、医疗、环境检测、军事等领域。太赫兹探测是太赫兹应用中的关键技术，它可以分为相干探测和非相干探测两大类。相干探测技术通过非线性器件把太赫兹信号变换到易于探测的低频信号来处理，例如光电导天线采样法；非相干探测则是通过把太赫兹信号转化为直流电流或电压信号来探测，例如场效应晶体管探测器等。1996年，国外科学家研究表明：场效应晶体管(FET)中的等离子体非线性可以实现对太赫兹波的探测。目前常用的太赫兹探测器主要有戈莱盒探测器、热释电探测器、测辐射热计探测器、肖特基二极管以及场效应晶体管探测器等，但它们的性能依然存在一些缺点，比如：响应时间慢、灵敏度低、带宽窄、信噪比低和工作环境苛刻等。目前，常用的太赫兹探测器无论是响应时间、灵敏度、带宽、噪声和工作环境等方面均存在一些缺点，迫切需要新结构、新工艺、新材料和新的探测方法来提高探测器的性能，如：快的响应时间、高灵敏度、宽带宽、低信噪比和室温工作环境等。石墨烯是一种电学特性优异的二维材料，它具有很高的室温载流子迁移率(2×105cm2/V·s，是硅的100倍)和可调节的零带隙结构。利用石墨烯制造场效应晶体管作为太赫兹探测器，可以同时实现高速、宽频带太赫兹探测器，具有极大的应用前景。但由于石墨烯对太赫兹辐射的吸收很低，只有2.3％，这极大的限制了石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器的性能，所以迫切需要提高该器件对太赫兹辐射的吸收率。也有研究实现了三维石墨烯场效应晶体管，以此来增加石墨烯的面积增加对太赫兹吸收，提高响应。本专利技术使用掺杂的石墨烯材料与硒化锡通过二维材料转移平台形成异质结制作探测器，结合设计的特殊结构天线和超半球透镜等辅助来提高探测器的性能，如：增加太赫兹波的吸收、提高探测器的灵敏度、降低信噪比等。本专利技术详细介绍了设计过程和制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法，解决了石墨烯对太赫兹辐射吸收率低的问题，能够提高探测器对红外及太赫兹辐射的吸收率，进而达到快的响应时间、高灵敏度、宽带宽、低信噪比和室温工作环境的探测器。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，所述探测器包括衬底、石墨烯异质结沟道层、源极金属天线电极层、漏极金属电极层、栅极绝缘层和栅极金属天线电极层；其中，所述石墨烯异质结沟道层位于所述衬底上，所述栅极绝缘层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层之上，部分或全部所述源极金属天线电极层和漏极金属电极层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层两端，所述栅极金属天线电极层引出线形成在部分所述栅极绝缘层上。作为本专利技术的一个优选实施例，所述石墨烯异质结沟道层的构成可以为硒化锡/石墨烯异质结或二硒化钨/石墨烯异质结。作为本专利技术的一个优选实施例，所述石墨烯异质结沟道层中的石墨烯通过p型或n型掺杂，掺杂方式包括金属电极接触、气体小分子吸附、氧化性及还原性极性分子吸附及晶格掺杂。作为本专利技术的一个优选实施例，所述栅极金属天线电极层为蝶形，其半径为120-160μm，圆心角为60°-120°。作为本专利技术的一个优选实施例，所述衬底的材料选自高阻硅、碳化硅、石英、玻璃树脂、蓝宝石和聚酰亚胺中的至少一种，其厚度为50-500μm。作为本专利技术的一个优选实施例，在所述衬底和石墨烯异质结沟道层之间还包括二氧化硅层。作为本专利技术的一个优选实施例，所述源极金属天线电极层、漏极金属电极层和栅极金属天线电极层的材料选自钛、钨和金中的至少一种，其厚度为20-300nm。作为本专利技术的一个优选实施例，所述栅极绝缘层的材料选自二氧化硅、二氧化铪、氧化铝和氮化硼中的至少一种，其厚度为20-300nm。作为本专利技术的一个优选实施例，所述源极金属天线电极层和栅极金属天线电极层构成的天线结构包括蝶形天线结构、对数螺旋天线结构和对称周期天线结构。本专利技术还提供一种如上所述的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器的制备方法，所述制备方法包括：提供衬底层；将石墨烯异质结沟道层转移到所述衬底层上；在所述石墨烯异质结沟道层上形成源电极和漏电极，并图案化得到源极金属天线电极层和漏极金属电极层；在所述石墨烯异质结沟道层上依次形成并图案化栅极绝缘层和栅极金属电极层。作为本专利技术的一个优选实施例，所述图案化的处理方式包括紫外光刻、电子束光刻中的至少一种以及原子层沉积法、热蒸发法和磁控溅射法中的至少一种。本专利技术的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器及其制备方法具有如下有益效果：本专利技术的探测器结合了特殊的天线设计以及使用了电学特性优异的石墨烯和二维材料形成的异质结，提高探测器对红外及太赫兹辐射的吸收率，具有快的响应时间、高灵敏度、宽带宽、低信噪比和室温工作环境等优点；本专利技术的探测器结构新颖、性能优异、制备简单，可工作于红外及太赫兹波段，容易大规模生产。附图说明图1为本专利技术涉及的探测器的场效应结构的截面图；图2为本专利技术涉及的探测器的源栅电极层为蝶形天线臂的俯视图；图3为图2中的天线臂中间部分场效应沟道的放大图；图4a为电磁仿真得到的蝶形天线的沟道局部电场增强图；图4b为电磁仿真得到的对数螺旋天线的沟道局部电场增强图；图4c为电磁仿真得到的对称周期天线的沟道局部电场增强图；图5为本专利技术涉及的探测器设计的天线结合超半球透镜仿真的方向图；图6为蝶形天线结合超半球透镜电磁仿真的电压响应曲线图。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围。如图1所示，本专利技术提供一种在红外及太赫兹宽频带的探测器1，包括衬底2、石墨烯异质结沟道层3、源极天线电极层4、漏极电极层5、栅极绝缘层6和栅极天线电极层7。所采用的衬底2的材料可以为高阻硅、碳化硅、石英、玻璃树脂、蓝宝石、聚酰亚胺中的一种，衬底2的厚度例如可以为50μm-500μm。所采用的石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述探测器包括衬底、石墨烯异质结沟道层、源极金属天线电极层、漏极金属电极层、栅极绝缘层和栅极金属天线电极层；其中，所述石墨烯异质结沟道层位于所述衬底上，所述栅极绝缘层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层之上，部分或全部所述源极金属天线电极层和漏极金属电极层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层两端，所述栅极金属天线电极层引出线形成在部分所述栅极绝缘层上。/n

【技术特征摘要】
1.一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述探测器包括衬底、石墨烯异质结沟道层、源极金属天线电极层、漏极金属电极层、栅极绝缘层和栅极金属天线电极层；其中，所述石墨烯异质结沟道层位于所述衬底上，所述栅极绝缘层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层之上，部分或全部所述源极金属天线电极层和漏极金属电极层覆盖在所述石墨烯异质结沟道层两端，所述栅极金属天线电极层引出线形成在部分所述栅极绝缘层上。


2.根据权利要求1所述的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述石墨烯异质结沟道层的构成可以为硒化锡/石墨烯异质结或二硒化钨/石墨烯异质结。


3.根据权利要求2所述的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述石墨烯异质结沟道层中的石墨烯通过p型或n型掺杂，掺杂方式包括金属电极接触、气体小分子吸附、氧化性及还原性极性分子吸附及晶格掺杂。


4.根据权利要求1所述的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述栅极金属天线电极层为蝶形，其半径为120-160μm，圆心角为60°-120°。


5.根据权利要求1所述的一种在红外及太赫兹宽频带的探测器，其特征在于，所述衬底的材料选自高阻硅、碳化硅、石英、玻璃树脂、蓝宝石和聚酰亚胺中的至少一种，其厚度为50-500μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖伟恩，袁浩，朱庆，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34