[發(fā)明專利]基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管、光探測器及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310036555.7
• 申請日: 2013-01-30
• 公開（公告）號: CN103117316A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳沁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(wù)所(普通合伙) 11264
• 代理人: 孫東風(fēng);王鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光探測器件，具體涉及一種基于微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)吸收的石墨烯場效應(yīng)晶體管、光探測器和其成像應(yīng)用。

背景技術(shù)

石墨烯是一種碳元素的二維層狀材料結(jié)構(gòu)，單層石墨的厚度約為0.35納米，具有非凡的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械等特性。十層以下的石墨都被認(rèn)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(guān)注。石墨烯因其Dirac-Fermi性質(zhì)，具有線性的能帶結(jié)構(gòu)，具有迄今已發(fā)現(xiàn)材料中最高的載流子遷移率（200000cm²V^-1s^-1），因此被廣泛的應(yīng)用于高頻納米電子器件領(lǐng)域。石墨烯同樣具有非凡的光學(xué)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(diào)控（《Science》，第320卷，第206頁），因此可以實(shí)現(xiàn)寬帶高速的光電轉(zhuǎn)換。盡管石墨烯與光具有非常強(qiáng)的相互作用，單層石墨烯（0.34nm厚）在上述波段的吸收就達(dá)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(yuǎn)低于目前的其他體材料或者量子阱結(jié)構(gòu)的效率。

近年，各種增強(qiáng)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(gè)一維布拉格光柵反射鏡中間，通過微腔增強(qiáng)光子態(tài)密度的辦法來增強(qiáng)石墨烯與近紅外光的相互作用，與沒有微腔結(jié)構(gòu)的情況相比，觀察到26倍的光吸收增強(qiáng)（《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(jié)構(gòu)的表面等離激元效應(yīng)來增強(qiáng)光吸收的另一個(gè)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(lián)合研究小組提出用金屬微腔結(jié)合晶體管結(jié)構(gòu)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(xué)家采用石墨烯晶體管觀察到二維電子氣導(dǎo)致的太赫茲波的吸收現(xiàn)象（《Nature?Nanotechnology》，第6卷，第630頁）。可以看到基于石墨烯的探測器已經(jīng)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(shù)通過微腔或者等離激元等效應(yīng)都展示了一定程度的石墨烯光吸收性能提升，然而技術(shù)工藝的復(fù)雜度以及性能提升的限制需要業(yè)界進(jìn)一步探索更有效的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主要目的之一在于提供一種基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管，它包括自下而上依次設(shè)置的襯底、柵極金屬層、柵極介質(zhì)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(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)與柵極金屬層及柵極介質(zhì)層配合形成具有近完全吸收特性的超材料結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述超材料結(jié)構(gòu)的阻抗Z等于或接近于（例如，偏差幅度可控制在±10%以內(nèi)）真空阻抗376.7Ω，其中，????????????????????????????????????????????????，ε和μ分別為所述超材料結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

進(jìn)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(dǎo)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(qū)域交錯排布并形成周期性微納米結(jié)構(gòu)。

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

所述柵極介質(zhì)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(fā)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(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管。

本發(fā)明的又一目的在于提供前述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管或前述光探測器在光譜檢測分析設(shè)備或圖像傳感設(shè)備中的應(yīng)用。

本發(fā)明的再一目的在于提供一種圖像傳感設(shè)備或光譜檢測分析設(shè)備，它包括陣列分布的復(fù)數(shù)個(gè)如上所述的基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管和/或如上所述的光探測器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)中，從而提高石墨烯對光的吸收，即探測器的靈敏度；