[發明專利]基于超材料結構的石墨烯晶體管、光探測器及其應用

有效

• 申請號: 201310036555.7
• 申請日: 2013-01-30
• 公開（公告）號: CN103117316A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 陳沁
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0224;G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 孫東風;王鋒

技術領域

本發明涉及一種光探測器件，具體涉及一種基于微納結構增強吸收的石墨烯場效應晶體管、光探測器和其成像應用。

背景技術

石墨烯是一種碳元素的二維層狀材料結構，單層石墨的厚度約為0.35納米，具有非凡的電學、光學和機械等特性。十層以下的石墨都被認為是石墨烯。自從2004年單層石墨烯被成功研制，石墨烯引起了廣泛關注。石墨烯因其Dirac-Fermi性質，具有線性的能帶結構，具有迄今已發現材料中最高的載流子遷移率（200000cm²V^-1s^-1），因此被廣泛的應用于高頻納米電子器件領域。石墨烯同樣具有非凡的光學特性，在紫外、可見光到紅外波段（300nm到6μm）具有平坦的吸收帶，而且吸收特性可以通過加電壓來調控（《Science》，第320卷，第206頁），因此可以實現寬帶高速的光電轉換。盡管石墨烯與光具有非常強的相互作用，單層石墨烯（0.34nm厚）在上述波段的吸收就達到了驚人的2.3%（《Physical?Review?Letters》，第101卷，第196405頁；《Science》，第320卷，第1308頁），然而由于石墨烯太薄，利用單層或者多層（<10層）的石墨烯對光的有效吸收還遠低于目前的其他體材料或者量子阱結構的效率。

近年，各種增強石墨烯與光相互作用，特別是光吸收的研究越來越多。2012年澳大利亞Mueller教授小組提出將石墨烯放在兩個一維布拉格光柵反射鏡中間，通過微腔增強光子態密度的辦法來增強石墨烯與近紅外光的相互作用，與沒有微腔結構的情況相比，觀察到26倍的光吸收增強（《Nano?Letters》，第12卷，第2773頁）；而在《Nano?Letters》同一卷的第3808頁公布了利用金屬納米結構的表面等離激元效應來增強光吸收的另一個技術，實驗結果獲得8倍的可見光波段光電流提高；2012年美英德三國的聯合研究小組提出用金屬微腔結合晶體管結構來提高石墨烯光探測器的靈敏度，觀察到20倍的可見光波段光電流提高（《Nature?Communications》，第3卷，第906頁）。此外，2011年美國科學家采用石墨烯晶體管觀察到二維電子氣導致的太赫茲波的吸收現象（《Nature?Nanotechnology》，第6卷，第630頁）。可以看到基于石墨烯的探測器已經展示了從可見光到太赫茲波的超寬工作范圍，雖然上述這些技術通過微腔或者等離激元等效應都展示了一定程度的石墨烯光吸收性能提升，然而技術工藝的復雜度以及性能提升的限制需要業界進一步探索更有效的技術方案。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的主要目的之一在于提供一種基于超材料結構的石墨烯晶體管，它包括自下而上依次設置的襯底、柵極金屬層、柵極介質層、石墨烯層以及源極與漏極金屬層；

其中，至少所述源極與漏極金屬層的局部區域具有周期性微納米結構，所述周期性微納米結構與柵極金屬層及柵極介質層配合形成具有近完全吸收特性的超材料結構。

進一步的，所述超材料結構的阻抗Z等于或接近于（例如，偏差幅度可控制在±10%以內）真空阻抗376.7Ω，其中，????????????????????????????????????????????????，ε和μ分別為所述超材料結構的介電常數和磁導率。

進一步的，所述源極與漏極金屬層的下端面與石墨烯層接觸，形成用于連接所述晶體管的源極與漏極的導電溝道。

所述源極與漏極金屬層包括源極和漏極，其中，至少所述源極和漏極的局部區域交錯排布并形成周期性微納米結構。

作為較為優選的實施方案之一，所述源極與漏極金屬層的厚度為20-200nm。

作為較為優選的實施方案之一，所述柵極金屬層的厚度應足以完全阻止光線透過，尤其優選為50nm以上。

所述柵極介質層的材料采用低光吸收的介電材料，例如，可選自但不限于氧化硅、氮化硅或三氧化二鋁等。

本發明的另一目的在于提供一種光探測器，它包括如上所述的基于超材料結構的石墨烯晶體管。

本發明的又一目的在于提供前述基于超材料結構的石墨烯晶體管或前述光探測器在光譜檢測分析設備或圖像傳感設備中的應用。

本發明的再一目的在于提供一種圖像傳感設備或光譜檢測分析設備，它包括陣列分布的復數個如上所述的基于超材料結構的石墨烯晶體管和/或如上所述的光探測器。

與現有技術相比，本發明的優點至少在于：

通過將石墨烯層集成在具有近完全吸收特性的超材料結構中，從而提高石墨烯對光的吸收，即探測器的靈敏度；