[發明專利]一種室溫拓撲絕緣體太赫茲探測器及制備方法

在審

• 申請號: 201711324336.3
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN107946401A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 王林;唐偉偉;劉昌龍;郭萬龍;陳效雙
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/119
• 分類號: H01L31/119;H01L31/0336;H01L31/18;H01L27/144
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所31311
• 代理人: 李秀蘭

技術領域

本發明涉及一種拓撲絕緣體光電探測器件，具體指一種室溫拓撲絕緣體太赫茲探測器及制備方法。

背景技術

太赫茲波(Terahertz,THz)輻射是指頻率在0.1～10THz(波長30微米～3毫米)之間的電磁波，其長波段方向與毫米波(亞毫米波)相重合，短波段方向與紅外線相重合，屬于遠紅外波段。由于其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(terahertz gap)。

太赫茲光子特點與應用：(a)量子能量和黑體溫度很低；由于太赫茲波的光子能量很低，它穿透物質時，不易發生電離，因而可用來進行安全的無損檢測。

(b)許多物質的大分子，如生物大分子的振動和旋轉頻率都在太赫茲波段，所以太赫茲波段表現出很強的吸收和諧振，許多爆炸物有太赫茲指紋特性，這使得它們能夠從衣服中及與其他材料混在一起時被鑒別出來，如毒品的檢測。(c)太赫茲波的時域頻譜信噪比比較高，這使得太赫茲非常適用于成像應用。其輻射強度測量的信噪比可以大于10¹⁰，遠高于傅立葉變換紅外光譜技術，而且其穩定性更好。(d)太赫茲波對于許多物質都具有高透性，所以它在皮膚癌的診斷和治療、DNA探測、太赫茲成像以及藥物的分析和檢測等方面都顯示了其強大的功能和成效。

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與入射光場相互作用以增強太赫茲波光電響應能力的探測器件。但是，傳統的依靠量子阱子帶間躍遷的方法很難實現輻射探測目的，因為太赫茲的光子能量小于熱擾動的能量，很容易達到飽和。目前，應用較多的商用太赫茲波探測器包括熱輻射計，但是它需要在低溫條件下進行工作，肖特基二極管的工作頻率小于1太赫茲，熱釋電探測器的響應速度很慢，因此，需要探索新的半導體材料和新功能性的器件實現太赫茲探測。而拓撲絕緣體具有豐富的表面態物理，為新型的太赫茲光電功能轉換器件的研究提供了良好的平臺。

發明內容

本發明提出一種室溫拓撲絕緣體太赫茲探測器及制備方法，實現了拓撲絕緣體場效應結構在室溫太赫茲探測領域的應用。

上述發明將拓撲絕緣體引入太赫茲探測結構，該探測器結構基于場效應晶體管，在室溫下利用拓撲絕緣體表面態的電子在太赫茲場的作用下與表面晶格發聲不對稱性散射，從而產生光伏信號，實現對太赫茲輻射的探測。

本發明指一種室溫拓撲絕緣體太赫茲探測器及制備方法，其特征在于，器件結構自下而上依次為：襯底1、氧化層2、拓撲絕緣體3、在拓撲絕緣體上層是對數周期天線4、金屬源極5、金屬漏極6。

其中襯底1為低摻雜的Si襯底；厚度為0.3-0.5毫米；

其中氧化物層2為SiO₂，厚度300±10納米；

其中拓撲絕緣體3為硒化鉍薄膜。溝道長度從2微米到6微米，厚度從10納米到60納米；

其中對數周期天線4外徑4毫米，角度為50⁰，下層Cr的厚度為5-15納米，上層Au的厚度為60-80納米。

其中金屬源極5和金屬漏極6為Cr和Au電極，下層Cr的厚度為5-15納米，上層Au的厚度為60-80納米。

本發明指一種室溫拓撲絕緣體太赫茲探測器及制備方法，其特征在于器件制備包括以下步驟：

1)通過熱氧化法在襯底1上制備氧化物層2；

2)通過機械剝離方法將硒化鉍薄膜3轉移至氧化物層2的表面；

3)采用紫外光刻技術或者電子束曝光技術，結合熱蒸發及傳統剝離工藝在制備對數周期天線4金屬源極5和金屬漏極6，形成硒化鉍薄膜半導體場效應結構器件，電極為鉻、金，厚度分別為5-15納米，60-80納米。

用太赫茲輻射照射到器件上，由于拓撲絕緣體表面晶格對稱性破缺，使得表面態的電子與晶格發聲不對稱性的散射，從而產生光伏信號，實現對太赫茲輻射快速，高響應的探測，在源極和漏極之間加上偏壓，可實現對太赫茲輻射幅度的動態調控。

本發明專利的優點在于：

1)、使用低摻雜的硅作為襯底，大大地減少高摻雜的硅表面覆蓋二氧化硅襯底對太赫茲的反射，提高了硒化鉍薄膜吸收率，提高器件的太赫茲響應，更便于其光電響應的的測試。

2)、采用硒化鉍薄膜作為導電溝道，利用硒化鉍的表面態晶格的不對稱性破缺對太赫茲的散射作用，實現高頻、高速、高靈敏度的太赫茲探測。

3)、集成了對數周期天線結構和引線電極歐姆接觸，實現強的光場耦合能力，提高器件的集成度和小型化，為實現太赫茲探測器大規模應用奠定基礎。