特殊偶极子天线的室温拓扑绝缘体异质结光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种特殊偶极子天线的室温拓扑绝缘体异质结光电探测器。器件制备步骤是将化学气相沉积生长的锗铋碲转移到有二氧化硅氧化层的高阻硅衬底上，然后采用干法转移碲化铋材料与锗碲铋形成异质结，再利用紫外光刻技术制作源、漏电极，并利用紫外光刻、电子束蒸发、剥离等工艺，制备成具有特殊天线结构的拓扑绝缘体异质结光电探测器。利用独特的天线结构，将太赫兹场集中在入射器件上，实现亚波长尺度光子结构控制下的集体等离激元振荡效率和吸收的增强，大幅提高光电探测器的灵敏度。所述的光电探测器在太赫兹波段体现了超高的响应率和较宽的响应谱。本发明专利技术的优点是探测率高，响应快，宽谱响应，功耗低和便于集成。功耗低和便于集成。功耗低和便于集成。

【技术实现步骤摘要】
特殊偶极子天线的室温拓扑绝缘体异质结光电探测器


[0001]本专利涉及特殊偶极子天线结构集成的室温拓扑绝缘体异质结光电探测器及制备方法，具体指基于拓扑绝缘体锗铋碲的光电探测器被设计成一种新型特殊偶极子天线的平面形式，在其上进行电学和光学测试。偶极子天线结构也用作一种电子读出电极。天线电极非对称，将传播的电磁波转化为局域表面等离子体激元，使得电极的一端局域光场得到极大增强，从而实现等离子体激元感应电场在金属与拓扑绝缘体界面的强局域化，提高了器件的检测灵敏度，拓宽了器件的响应谱。

技术介绍

[0002]太赫兹辐射(0.1
‑
10THz)能够将电子器件与光学器件连接起来，涵盖从微波到红外光的宽频带电磁波谱，其混合特性可实现广泛的应用，包括无线通信、传感和成像等应用。随着石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)、拓扑材料和三维狄拉克系统等新兴二维材料的出现，基于这些材料独特的电学和光学性质的探索推动了太赫兹光电器件的发展。其中拓扑材料以无质量狄拉克费米子为特征，表现出特有的宽波段响应特性。然而，基于石墨烯和黑磷材料的太赫兹探测器存在响应速度慢、不稳定以及需要低温冷却等缺点。
[0003]拓扑材料由于其特殊的拓扑表面态和无耗散电子输运等特性使其在高性能、宽波段和室温环境的光电器件中具有重要的价值。基于动量空间中电子能带结构的拓扑性质，引入拓扑不变量将拓扑材料分为拓扑绝缘体(topological insulator,TI)、狄拉克半金属(dirac semimetal,DS)、外尔半金属(weyl semimetal,WS)和节点线半金属(node
‑
line semimetal,NLS)。拓扑绝缘体的载流子在表面态传输过程中具有极低的能量损失，导致超高的载流子迁移率，使其适用于高速、低能电子和光电器件。目前，基于Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3拓扑绝缘体中的光电探测器已经进行了研究且响应率高于石墨烯器件，其响应机制包括过阻尼等离子体波和拓扑表面状态的不对称散射。随着拓扑材料的出现，基于Bi2Te3的探测器已被研究作为室温应用的优良拓扑材料，这而易于其具备的半金属特性。然而，Bi2Te3的费米面不具有孤立狄拉克点，但可以通过在材料中插入一些额外的Ge
‑
Te层来实现独立的狄拉克点。GeBi4Te7具有与Bi2Te3相同的化学势，具有更大的费米动量，导致更大的表面载流子密度。由于费米能量附近复杂电子结构的高密度，掺杂的拓扑绝缘体具有更高的塞贝克系数，有利于太赫兹探测。然而，GeBi4Te7的光传感能力从未被研究过，因此探索其在太赫兹探测和成像中的应用是一个有意义的方向。因此，锗铋碲作为一种拓扑绝缘体在太赫兹
具有重要的应用前景，为下一代光电器件提供了良好的研究平台。此外，二维材料的表面没有悬挂键因此在形成范德瓦尔斯异质结时不会具有晶格失配的问题，也能够缩短导电通路，增加光电导增益，所以构建范德瓦尔斯异质结能够有效降低暗电流，提高探测器的响应率。
[0004]现有的光电探测器通常通过光电导或光伏效应探测带隙能量以上的高能光子。然而，理论上对于任何特定波长，都可以通过辐射热效应、光热电(PTE)和热释电效应等热效应进行探测，而不受带隙限制。在这些光电探测器中，基于光热电效应的探测器被认为是太
赫兹探测的可行候选者，因为它们具有简单的几何形状、零偏置操作和低功耗的优点。到目前为止，增强光热电探测器性能的方法主要有三种方法。可以利用金属中的等离子激子等偏振激子以及将腔或波导合并到光电探测器中来增强光
‑
物质相互作用。最可效简便的方法就是基于天线的原理，引入功能结构，通过将自由传播的光辐射转化为局域能，或将材料的表面阻抗与光匹配来增强光吸收。因此设计一种高效的平面天线是增强光热电探测器性能可行且有效的方法。

技术实现思路

[0005]本专利提出了一种室温下的非对称偶极子天线集成太赫兹探测器的制备方法，利用独特的天线结构，将太赫兹场集中在入射器件上，由于源漏端产生温度梯度从而驱动光生载流子的移动形成定向电流，在室温下实现自驱动高灵敏度和宽波段的光探测。
[0006]所述的探测器的结构为：自下而上，在高阻硅衬底(1)上是二氧化硅层2，在二氧化硅层上是锗铋碲4和碲化铋5形成的二维材料的异质结，在异质结的两端是源电极3和漏电极6，其结构由非对称的偶极子金属天线组成，左边的天线电极3和右边的天线电极扇形结构6，源漏间距为2
‑
4μm，左右偶极子天线呈现不对称，可以增强局域光场。
[0007]所述的衬底1是本征高阻硅，其电阻率为20000
‑
30000Ω
·
cm；
[0008]氧化层二氧化硅2的厚度是200
‑
300nm；
[0009]所述锗铋碲纳米薄片4的厚度是50
‑
70nm；
[0010]所述碲化铋5纳米薄片厚度为70
‑
100nm；
[0011]所述天线结构：源电极3和漏电极6构成非对称的偶极子天线结构，天线的图案是通过标准的紫外光刻技术获得的，然后使用热蒸发镀膜技术蒸发Cr/Au(厚度范围90
‑
110nm)薄膜。
[0012]本专利技术指一种室温非堆成偶极子天线集成的拓扑绝缘体异质结太赫兹探测器及制备方法，所述器件制备包括以下步骤：首先使用低粘性胶带对合成的新型拓扑绝缘体单晶锗铋碲(GeBi4Te7)体材料通过机械剥离法转移至高阻硅衬底上，然后采用干法转移将机械剥离的碲化铋(Bi2Te3)材料与锗碲铋接触形成异质结；再采用紫外光刻技术、电子束蒸发镀膜工艺及传统剥离工艺制备非对称偶极子天线结构，此时源漏电极分别与锗铋碲和碲化铋的一端接触；然后把器件贴到底座上，通过超声引线工艺完成封装，最后形成非对称偶极子天线集成的拓扑绝缘体异质结太赫兹探测器。
[0013]本专利技术专利的优点在于：
[0014]1)沟道材料选择的是拓扑绝缘体。该材料具有导电的表面态(半金属性)和绝缘的体能带，赋予该类型材料可用于宽带和高速光响应的太赫兹探测器。
[0015]2)锗铋碲和碲化铋材料具有环境稳定性、可扩展性和廉价的原材料等优势，通过定点转移技术可以制备高效且材料表面污染小的异质结器件。
[0016]3)采用易于集成的特殊偶极子天线结构，对亚波长通道中的电磁波进行超聚焦，很大程度地局域光场，能够有效地增强太赫兹波与狄拉克电子气之间的相互作用。
[0017]4)发挥二维材料垂直堆叠无晶格失配的优势，构筑范德华异质结，由于两者塞贝克系数差异可使得非平衡载流子定向移动，在室温下利用自驱动的光热电效应，高效稳定的运行工作。
[0018]5)拓扑绝缘体锗铋碲和碲化铋异质结器件具有暗电流小、噪声等效功率低和响应时间较快的技术优势，成功实现了室温下对金属材料的太赫兹透射成像应用。
附图说明
[0019]图1为本专利技术室温非对称偶极子天线集成的拓扑绝缘体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种特殊偶极子天线的室温拓扑绝缘体异质结光电探测器，包括Si衬底(1)、SiO2氧化层(2)、锗铋碲(4)和碲化铋(5)，其特征在于：所述的探测器结构：在Si衬底(1)上是SiO2氧化层(2)、在SiO2氧化层(2)上制备有锗铋碲(4)和碲化铋(5)，在锗铋碲(4)和碲化铋(5)两端是源电极(3)和漏电极(6)，其结构由非对称偶极子天线组成，源漏间的距离为2
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4μm；所述的衬底(1)是本征高阻硅，其电阻率为20000
‑
30000Ω
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cm,厚度为500
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600μm；覆盖在其上的是二氧化硅(2)，厚度为200
‑
300nm；所述的拓扑绝缘体锗铋碲(4)为锗铋碲纳米薄片，厚度为50
‑
70nm；所述的拓...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，姚晨禹，王东，姜梦杰，陈效双，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：