敏感元件、制备方法、探测组件及探测设备技术

本发明专利技术公开了敏感元件、制备方法、探测组件、探测设备，其中敏感元件包括顺次设置的：衬底，缓冲层，用于改善衬底与铁电薄膜之间的晶格匹配性能；铁电薄膜，铁电薄膜为锆钛酸铅层；标记电极，设置于铁电薄膜表面；蝶形天线，蝶形天线形成于所述铁电薄膜上，蝶形天线包括组件一和组件二，组件一和组件二之间形成有沟道，组件一和组件二分别电连接到两个标记电极，沟道中形成有沟道材料层，沟道材料层为二维材料形成的，沟道材料层电连接所述组件一和组件二。本发明专利技术方案突破性地利用了铁电薄膜和沟道材料层之间的异质结构，从而实现高灵敏度、低功耗的宽谱室温太赫兹探测器。功耗的宽谱室温太赫兹探测器。功耗的宽谱室温太赫兹探测器。

【技术实现步骤摘要】
敏感元件、制备方法、探测组件及探测设备


[0001]本专利技术是关于太赫兹探测领域，特别是关于一种敏感元件、制备方法、探测组件及探测设备。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz,THz)波一般是指频率在0.1～10THz(波长在30～3000μm)范围内的电磁波。介于微波电子学与红外光子学之间，具有一些独特的性质，如，低光子能量，指纹特性，高透射，吸水性和带宽大等，使得太赫兹辐射在生物医学，安全检查，无损检测和空间通信等众多领域有着广泛的应用前景。然而长期以来由于缺乏有效的太赫兹源和太赫兹探测器，导致太赫兹频段被称为电磁频谱上的“太赫兹空隙”。室温，宽谱，高灵敏度的太赫兹探测器是太赫兹系统的核心，在太赫兹技术广阔市场前景的推动下具有很好的发展机遇，但同时对高性能太赫兹探测器的需求也不断增大。
[0003]目前，基于铁电调控的光电探测器无法实现室温太赫兹探测。传统电介质材料的探测器，为获得最优探测性能，必须持续施加栅压，这在一定程度上增加了器件功耗。新兴的基于石墨烯/拓扑半金属的探测器由于无带隙，通常具有较大的暗电流。
[0004]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种敏感元件、制备方法、探测组件、探测设备，具有良好的带宽覆盖性能，同时在灵敏度、功耗等方面具有显著的优势。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了敏感元件，包括顺次设置的：衬底；缓冲层，用于改善衬底与铁电薄膜之间的晶格匹配性能；铁电薄膜，铁电薄膜为锆钛酸铅层；标记电极，设置于铁电薄膜表面；蝶形天线，蝶形天线形成于铁电薄膜上，蝶形天线包括组件一和组件二，组件一和组件二之间形成有沟道(沟道使组件一和组件二处于不电性连通的断路状态)，组件一和组件二分别电连接到两个标记电极，沟道中形成有沟道材料层，沟道材料层为二维材料形成的，沟道材料层电连接组件一和组件二。这里沟道材料层是对沟道材料在表面分散状态的一个统称，而非限定为连续的层状结构，也可以包括离散的分布形态。
[0007]在本专利技术的一个或多个实施方式中，沟道材料层至少为如下任一：黑磷层、ZrGeSe层、ZrTe5层、PtTe2、MoTe2层、PdSe2层
[0008]优选的，沟道材料层分布在铁电薄膜表面，其分布形态依据获取的机理工艺而定。
[0009]如采用机械剥离制备时，沟道材料可以视作在铁电薄膜表面随机分布，因为机械剥离到铁电薄膜上的材料是随机分布的，在制备过程中，通过选择合适厚度和大小的材料，依托选择的沟道材料制备天线等结构。
[0010]紫外光刻制备了许多标记电极，用胶带机械剥离的材料是随机分布的，根据材料
的位置选择合适的两个标记电极进行电连接。
[0011]标记电极通过引线连接到蝶形天线处，蝶形天线中间的缝隙即沟道是通过沟道材料进行连接的。如果缝隙处没有材料进行连接，相当于是断路的。
[0012]在本专利技术的一个或多个实施方式中，缓冲层为镍酸镧层或Au层或Pt层。当然缓冲层也可以充当导电层(作为底电极)，可以向该底电极施加电压，利用铁电材料PZT的剩余极化来对沟道材料进行调控。
[0013]在本专利技术的一个或多个实施方式中，缓冲层的厚度为50
‑
100nm。
[0014]在本专利技术的一个或多个实施方式中，沟道材料层的厚度为5～10nm。
[0015]在本专利技术的一个或多个实施方式中，铁电薄膜的厚度为200
‑
400nm。
[0016]在本专利技术的一个或多个实施方式中，硅基材为(001)取向的本征硅衬底。再通过热氧化工艺在硅基材上制备285nm SiO2氧化层，即可以获得一种衬底。
[0017]在本专利技术的一个或多个实施方式中，敏感元件的制备方法，包括如下步骤：在衬底上顺次形成缓冲层和铁电薄膜；在铁电薄膜上形成标记电极；获取沟道材料，并转移至铁电薄膜；选择沟道材料，并配合地形成蝶形天线的组件一和组件二，沟道材料位于所述组件一和组件二之间并形成电连接，组件一和组件二分别匹配地电连接到两个标记电极。此外，在沟道材料层还可以形成天线，并形成引线电极。沟道材料的选择可以为在光学显微镜下选择合适大小和厚度的材料来配合制备天线，从而获得产品。
[0018]在本专利技术的一个或多个实施方式中，探测组件，包括至少用于向敏感元件供电的供电结构以及如前的敏感元件。
[0019]在本专利技术的一个或多个实施方式中，探测设备，包括如前述的的敏感元件或如前述的探测组件。
[0020]与现有技术相比，根据本专利技术实施方式的敏感元件、制备方法、探测组件、探测设备，提出了一种基于铁电调控的室温太赫兹探测器及其制备方法，利用铁电材料的强调控和非易失性等特点实现了高灵敏度，低功耗的室温宽谱太赫兹探测器。
[0021]通过将两端的太赫兹器件耦合平面对称蝶形偶极子天线，该蝶形天线主要是增强沟道中沟道材料层与太赫兹波的耦合，增强对太赫兹波的吸收从而提高器件响应度。耦合太赫兹波之后，在沟道处会有局域场增强，该局域场能增强对太赫兹波的吸收。
[0022]针对掺杂的低阻硅衬底会对太赫兹波有很强的吸收，会使器件和天线耦合到的太赫兹波大大减少，本专利技术通过使用高阻的本征硅衬底，能够大大减少衬底对太赫兹波的吸收。
[0023]本专利技术通过利用铁电场极化调控载流子浓度，通过给铁电材料施加外电场在更大范围内调谐黑磷的等离子体波振荡频率，从而实现太赫兹宽频覆盖。
[0024]本专利技术基于黑磷的低损耗表面等离激元和室温高迁移率特性，结合铁电功能材料锆钛酸铅薄膜，通过天线耦合的太赫兹分布与铁电材料局域场调控沟道的动态耦合，直接对太赫兹信号进行处理和操控，可以实现共振探测提高器件灵敏度。
[0025]本专利技术采用介电常数较大的锆钛酸铅(PZT)作为栅介质，可以有效增强对黑磷载流子浓度的调控，利用铁电局域场将沟道中载流子耗尽，有效抑制器件的暗电流，器件性能可得到大幅提升。
[0026]铁电材料具有非易失性，撤去外电场之后仍能维持正常工作，让器件在无外加电
场时工作，可大大降低器件功耗和损坏率。
[0027]本专利技术主要是利用高介电常数的铁电材料PZT来增强对黑磷载流子浓度的调控，利用铁电局域场将沟道中载流子耗尽，抑制器件暗电流，进一步提升器件性能，同时铁电材料的非易失性可以让器件在无外加电场的条件下工作，能够有效降低器件功耗和损坏率。将沟道材料黑磷换成目前新兴的具有独特优异性能的拓扑材料(如ZrGeSe，ZrTe5，MoTe2，PdSe2)，也能充分利用铁电材料的强调控和非易失性等优势来得到性能更佳的室温太赫兹探测器。
[0028]本专利技术中采用铁电薄膜的优势主要体现在如下几个方面：
[0029](1)铁电场极化调制载流子浓度，获得太赫兹宽频探测
[0030]黑磷具有高的载流子迁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种敏感元件，其特征在于，包括顺次设置的：衬底；缓冲层，用于改善衬底与铁电薄膜之间的晶格匹配性能；铁电薄膜，所述铁电薄膜为锆钛酸铅层；标记电极，设置于所述铁电薄膜表面；蝶形天线，所述蝶形天线形成于所述铁电薄膜上，所述蝶形天线包括组件一和组件二，所述组件一和组件二之间形成有沟道，所述组件一和组件二分别电连接到两个标记电极，所述沟道中形成有沟道材料层，所述沟道材料层为二维材料形成的，所述沟道材料层电连接所述组件一和组件二。2.如权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述沟道材料层至少为如下任一：黑磷层、ZrGeSe层、ZrTe5层、PtTe2、MoTe2层、PdSe2层。3.如权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述缓冲层为镍酸镧层或Au层或Pt层。4.如权利要求1或3所述的敏感元件，其特征在于，所述缓冲层的厚度为50
‑
100nm。5.如权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述沟道材料层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，阳柳，董卓，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：