基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法，包括对数周期天线和贴片天线；所述对数周期天线包括两个旋转对称且相互连接的天线本体，两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接，对数周期天线的馈电点与栅极连接，贴片天线与对数周期天线的中心馈电点相连接，贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励。利用对数周期天线充当晶体管探测器的源漏天线，在栅极处再加一个对应探测频率的矩形贴片天线。两个天线协同作用，将目标频段的太赫兹信号引入沟道内，增强探测性能。并且对数周期天线可以多频段工作，可以拓宽探测器的探测频谱。拓宽探测器的探测频谱。拓宽探测器的探测频谱。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹探测
，具体涉及一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波是处于0.1
‑
10Thz的一段电磁波，位于微波波段和红外波段之间。近些年来，随着对太赫兹波研究的不断深入，发现其有众多独特的性质，在太赫兹生物、医学研究、爆炸物检测、6G通讯、安防检测以及零部件等无损检测领域都有着非常广阔的前景。为了发展太赫兹波技术，太赫兹源与太赫兹探测器是两个至关重要的难点。
[0003]就太赫兹探测器来说，天线是其中至关重要的一个部分。由于太赫兹波段的频率较高，且信号强度较弱，通常探测器自己的电极很难去耦合到空间中的太赫兹波，因此探测效率普遍较低。为了提高探测器的探测效率，就需要一个精心设计的太赫兹耦合天线，帮助探测器去捕捉空间中的太赫兹波并输送到探测器的敏感元件上。
[0004]此外，基于Dyakonov和Shur提出的等离子体波震荡原理，从理论上解释了场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等器件探测太赫兹波的原理。相比于传统的热探测器，场效应晶体管的探测速度要快得多。传统的场效应晶体管太赫兹探测器所用的材料主要是
Ⅲ‑Ⅴ
族半导体。目前用的比较多的是GaN/AlGaN材料等，由于其原片可以直接到原厂定制，均一性较好。但是其原片价格较高，生长工艺复杂，不利于大规模生产。近年来，随着材料制备技术的成熟，一些具有优异光电性质的新型材料也被应用于太赫兹探测器，如石墨烯、碳纳米管、黑磷、过渡金属二硫化物等。石墨烯的载流子迁移率在室温下约为15000cm2/V s，是硅材料的10倍以上。并且在某些特定条件下，其迁移率可以达到200000cm2/Vs以上，是已知半导体材料中最高的。并且，本征石墨烯是零带隙材料，但是经过特殊处理后，可以在零到几百毫电子伏特范围内打开其能带并且进行调制。石墨烯材料满足太赫兹探测技术对材料的高要求，现在成为了探测器领域的火热材料。
[0005]目前，室温下的高灵敏度、低成本的太赫兹探测器依旧比较紧缺。现有报道的太赫兹探测器探测频率较单一，且制备工艺复杂，所需材料价格昂贵，一直限制了太赫兹探测器领域的发展。因此，急需寻找一种器件结构设计合理，制备工艺简单、可以在室温下实现多频段太赫兹波探测的探测器。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器及其制备方法，利用迁移率高的二维材料作为高电子迁移率晶体管的沟道材料，结合双天线协同耦合空间中的太赫兹波，将太赫兹信号传输到沟道中的敏感材料上，有效耦合太赫兹波，实现室温下的高灵敏太赫兹探测。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，包括对数周期天线和贴片天线；
[0009]所述对数周期天线包括两个旋转对称且相互连接的天线本体，两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接，对数周期天线的馈电点与栅极连接，贴片天线与对数周期天线的中心馈电点相连接，贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励。
[0010]优选的，所述天线本体包括扇形的中心馈体，中心馈体的两侧分别设置有多个天线阵子，多个天线阵子沿中心馈体的边缘呈扇形间隔排布，并且两侧的天线振子沿径向错位设置，其中一侧的天线振子的内边缘弧长等于另一侧沿径向相邻的天线振子的外边缘弧长。
[0011]优选的，所述中心馈体的张角β为30
‑
60
°
；天线振子的张角α为30
‑
60
°
。
[0012]优选的，所述中心馈体每侧天线振子的数量为3
‑
6个。
[0013]优选的，所述对数周期天线中的比例因子τ的确定方法如下：
[0014][0015]其中，R
n
为第n个天线振子外圆的半径；r
n
为第n个天线振子内圆的半径。
[0016]优选的，所述栅极通过测试电极与中心馈电点连接。
[0017]优选的，介质基板上设置有二维材料沟道，源级和漏极分别设置在沟道的两端，源级和漏极与沟道欧姆接触，介质基板上沉积栅介质层，栅极设置在栅介质层上。
[0018]优选的，所述二维材料为石墨烯、黑磷、二硫化钼或二硒化钼。
[0019]优选的，所述场效应晶体管为顶栅结构。
[0020]一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1、将二维材料转移到介质基底上；
[0022]步骤2、定义沟道后，除去沟道以外的二维材料形成沟道；
[0023]步骤3、在沟道两端压装置源电极和漏电极并形成欧姆接触；
[0024]步骤4、在介质基板上沉积形成栅介质层，并在栅介质层上形成栅极，得到场效应晶体管；
[0025]步骤5、在介质基板上形成对数周期天线和贴片天线；
[0026]步骤6、将步骤5得到的介质基板进行分割，得到带有介质基板的场效应晶体管、对数周期天线和贴片天线，然后进行组装得到基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0028]本专利技术提供的基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，利用对数周期天线充当晶体管探测器的源漏天线，在栅极处再加一个对应探测频率的矩形贴片天线。两个天线协同作用，将目标频段的太赫兹信号引入沟道内，增强探测性能。并且对数周期天线可以多频段工作，可以拓宽探测器的探测频谱。
[0029]此外，利用迁移率较高的二维材料作为场效应管中的沟道敏感材料，可以提高器件工作的速度与灵敏度。将晶体管的源漏电极与对数周期天线集成，将栅极与贴片天线集成，双天线协同联合工作，增强太赫兹波的耦合效率。提高探测性能。
附图说明
[0030]图1为本专利技术对数周期天线的结构示意图；
[0031]图2为本专利技术中的新型对数周期
‑
贴片协同天线结构示意图；
[0032]图3为本专利技术中探测器整体结构示意图；
[0033]图4为本专利技术中探测器中晶体管部分剖面结构示意图。
[0034]图中：1为对数周期天线中心馈体的扇形张角β；2为扇形锯齿振子的张角α；3为最长的天线振子，其外半径为(6)所示长度，记为R1，内半径为(7)所示长度，记为r1；(4)为对数周期天线的两侧的金属测试电极；(5)为对数周期天线的馈电点。
[0035](11)为源极；(12)为栅极；(13)为栅极介质层；(14)为漏极；(15)为二氧化硅层；(16)为硅基底；(17)为二维材料。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0037]参与图1
‑
4，一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，包括介质基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，其特征在于，包括对数周期天线和贴片天线；所述对数周期天线包括两个旋转对称且相互连接的天线本体，两个天线本体分别与场效应晶体管的源极和漏极连接，对数周期天线的馈电点与栅极连接，贴片天线与对数周期天线的中心馈电点相连接，贴片天线通过侧馈的方式对周期天线施加激励。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，其特征在于，所述天线本体包括扇形的中心馈体，中心馈体的两侧分别设置有多个天线阵子，多个天线阵子沿中心馈体的边缘呈扇形间隔排布，并且两侧的天线振子沿径向错位设置，其中一侧的天线振子的内边缘弧长等于另一侧沿径向相邻的天线振子的外边缘弧长。3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，其特征在于，所述中心馈体的张角β为30
‑
60
°
；天线振子的张角α为30
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60
°
。4.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，其特征在于，所述中心馈体每侧天线振子的数量为3
‑
6个。5.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的天线增强太赫兹探测器，其特征在于，所述对数周期天线中的比例因子τ的确定方法如下：其中，R
n
为第n个天线振子外圆的半...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐友龙，侯文强，薛旭，姚向华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：