[發明專利]一種石墨烯室溫太赫茲波探測器及制備方法

在審

• 申請號: 201510864402.0
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105514128A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 王林;劉昌龍;唐偉偉;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L27/144
• 分類號: H01L27/144
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及一種太赫茲波探測器，特別涉及一種在室溫條件下石墨烯/對數周期天線/藍寶石襯底結構對太赫茲波實現高速、高靈敏度、高信噪比的探測器。

背景技術

太赫茲波(Terahertz,Hz)輻射是指頻率在0.1～10THz(波長3mm～30um)之間的電磁波，位于遠紅外和微波相互交叉的波段，長期以來缺乏相應的方法對其進行產生和探測，從而形成THz空白(terahertzgap)。

太赫茲光子特點與應用：(a)光子能量小；生物大分子和DNA分子的旋轉及振動能級多處于太赫茲波段，太赫茲輻射可用于疾病診斷、生物體的探測及癌細胞的表皮成像。(b)對許多介質材料具有高透射性；可以對物體進行無損探傷，比如對重要航天器材料內部所掩埋的缺陷探測可以排除安全隱患。(c)太赫茲波在太空環境中被吸收得較少，傳播距離遠，可以用于對星際形成過程和介質化學性質分析。

實現太赫茲技術應用與突破，其中一個關鍵技術就是太赫茲波探測，需要發展具備可控半導體材料-入射光場相互作用以及太赫茲波光電響應能力的探測器件。但是，傳統地室溫下依靠量子阱子帶間躍遷的方法很難實現輻射探測目的，因為光子的能量要比熱能量小很多，很容易達到熱飽。目前，應用較多的商用太赫茲波探測器包括輻射熱機(需要制冷)、肖特基二極管(低于1Hz以下)、熱釋電探測器(響應速度慢)等缺點，因此，需要探索新的物理原理和利用新的半導體材料實現太赫茲波探測。由于低維碳材料具有獨特的物理結構，特殊的電學特性，為新型光電功能轉換特性的研究提供了良好的平臺，其中最具典型的是石墨烯。

Dyakonov和Shur闡述了場效應管中等離子體波在溝道中被激發實現太赫茲波探測，在太赫茲輻射激發下，器件的溝道會有一個直流壓降產生光響應；同時，非線性效應使得器件對入射太赫茲波進行有效的頻率倍增產生高階諧波，該太赫茲輻射探測理論得到多方面的實驗驗證。

發明內容

基于現有技術的缺陷和理論的支撐，本發明的目的是提出以載流子濃度可調和高遷移率的石墨烯為基本結構單元，同時，集成對數周期天線結構和引線電極，一種石墨烯/對數周期天線/藍寶石襯底太赫茲波探測器件，最終在室溫條件下實現寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的THz探測。

本發明的上述目的，將通過以下技術方案得以實現：

探測器件在藍寶石襯底4上蒸鍍對數周期天線2結構以及引線電極3，太赫茲波耦合對數周期天線2兩邊分別與對應的引線電極3相連，在對數周期天線2間距中轉移具有載流子濃度10¹¹～10¹⁴cm^-2可調和高遷移率1000～10000cm²V^-1s^-1的石墨烯1導電溝道，保證石墨烯1與兩邊對數周期天線2互連；

所述的藍寶石襯底4的厚度為0.5～1mm；

所述的對數周期天線2的尺寸為：外半徑1～2mm，厚度100～200nm；

所述的引線電極3的厚度為200～400nm；

所述的導電溝道長度為6～80um。

本發明的上述目的，是通過以下技術方案制作完成的。

1)首先將藍寶石襯底進行表面清洗，并通過切割技術將襯底和銅片上生長的石墨烯切成小樣品；

2)使用紫外光刻、電子束蒸發法及lift-off剝離工藝制備對數周期天線結構和引線電極，包括溝道、紫外光刻的對準標記以及電子束光刻對準標記；

3)將銅片上生長的石墨烯，通過FeCl₃溶液刻蝕法，刻蝕銅片襯底約24h，然后在體積比約1/10的稀釋鹽酸和去離子水混合溶液中清洗覆蓋PMMA石墨烯薄膜，清洗完，將覆蓋PMMA的石墨烯薄膜轉移到具有天線結構的藍寶石襯底上，陰干約4h，在丙酮中靜置20～25min去除PMMA，最后，在60～80℃的溫度條件下烘干20～25min；

4)利用紫外光刻和O₂離子刻蝕法，刻蝕長度約6～80um石墨烯導電溝道，并在體積比約1/5氫氣和氮氣混合氣體下進行約300℃高溫退火處理，去除石墨烯殘留的光刻膠和水，形成良好的歐姆接觸；

5)通過紫外光刻、電子束蒸發和剝離工藝制備300～400nm加厚電極；

6)最后，采用正規的半導體封裝技術，對器件進行封裝。

實現本發明的技術方案，其創新優點體現在：