[發明專利]基于石墨烯量子點的THz單光子探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201610910113.4
• 申請日: 2016-10-19
• 公開（公告）號: CN106384756B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 方靖岳;喬帥;王飛;張學驁;秦華;常勝利;秦石喬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/18;G01J11/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 魏國先

技術領域

本發明涉及納米電子器件技術領域，特別涉及一種基于石墨烯單量子點或串聯石墨烯雙量子點與納米條帶石墨烯靜電計相耦合的THz單光子探測器及其制備方法。

背景技術

太赫茲波是頻率為0.3~30 THz（波長約10 μm~1 mm，光子能量約1.2~120 meV）的電磁波，它處于紅外波與毫米波之間，是電磁波譜中一個重要的波段。太赫茲波段有大量有機分子轉動和振動躍遷，半導體材料聲子振動能級也在該頻段范圍內，可用于物質指紋識別和結構表征；該波段的光子能量低，不會破壞被檢測物質，對人體及生物組織有著很高的安全性，可用于安全檢查。單光子探測器是一種超低噪聲器件，其極高的靈敏度使得它能夠探測到光的最小能量級別——光子，并實現對光子的計數，獲得發光物質關聯特性的檢測。利用單光子探測技術，可極大的提高光譜測量的靈敏度和精確性，實現對微量物質成分的光譜分析。發展太赫茲單光子探測器，有利于實現該波段的物質成分光譜分析，在生物光子學、醫學影像、非破壞性材料檢查、量子成像和天文觀測等領域都有著廣泛的應用前景。在軍事上，太赫茲和中遠紅外波段單光子高靈敏探測也具有重大應用價值，能為超高速武器探測提供手段，為提高現有光電探測設備的軍事視覺能力、倍增武器系統戰斗力進行技術積累與儲備。

1993年，M.Dyakono和M.Shur最早從理論上提出將場效應晶體管用于太赫茲探測。為了將場效應晶體管做成一個太赫茲探測器，需要集成一個天線結構將電磁波耦合到通道的等離子體波。通常，器件被設計成源極與天線連接，而漏極是一個開放電路。當電磁波入射器件時，源極一側通道將產生一個交流電壓，它會激發出等離子體波。場效應晶體管的通道被當成等離子體波的諧振器，會形成源極和漏極之間的與輻射功率成正比的直流電壓或電流。一開始，具有場效應晶體管結構的太赫茲或亞太赫茲輻射探測器通常是基于III-V族材料的，然而，采用III-V族材料不能和Si半導體工業兼容，所以后來人們發展了硅MOSFET太赫茲和亞太赫茲探測器。值得注意的是，沒有商業太赫茲探測器可以在整個太赫茲頻率范圍內，產生、探測或者操控電磁波。石墨烯的獨特性能，比如超高載流子遷移率和零帶隙能帶結構，使得它成為在整個太赫茲區間制作探測器和調制器的很有前途的一種材料。因此，在2008年石墨烯被隆重推出之后，出現了大量基于石墨烯場效應管進行太赫茲探測的研究。

1994年，Kouwenhoven等人利用電子束光刻和金屬蒸發技術，在GaAs/AlGaAs異質結中的二維電子氣上制備出平面金屬柵，通過在金屬柵上加負電壓，形成耗盡勢壘橫向限制的量子點單電子晶體管，進而在100 mK的低溫條件下探測到17~36 GHz的高頻微波信號引起的光電流響應。因此，除了場效應管，我們還可以考慮另一種完全不同的太赫茲探測器件結構和探測機制，那就是量子點單電子晶體管和量子點光子輔助隧穿。量子點是一種制備單電子態的通用人工系統，可以用于填充電子或者空穴。量子點的電學性質受到兩個效應的影響：（1）量子點上電荷間的靜電排斥引起庫侖阻塞效應；（2）量子點的尺寸效應形成離散能級影響其電子動力學特性。不同于場效應晶體管的結構，利用單電子晶體管可以實現更低工作頻率和更高靈敏度的太赫茲單光子探測，這也一直是研究的熱點和難點。