[實用新型]一種基于相變材料的感溫型太赫茲探測器

有效

• 申請號: 201921494851.0
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN210862918U
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 黃志明;胡濤;張惜月;陳允楓;張志博;閻蔣偉;潘昌翊;謝浩;王廣艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44;G01J1/42;G01K7/00;H01L31/10;H01L31/18
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本專利公開了一種基于相變材料的感溫型太赫茲探測器，所述探測器由氧化鋁襯底，銻化銦敏感元，二氧化釩光柵結構層，半波天線和器件管座組成。本專利制備的感溫型太赫茲探測器，在傳統的金屬?半導體?金屬結構基礎上，通過引入二氧化釩光柵結構層，利用二氧化釩在環境溫度為68℃的相變轉換特性，引起光柵結構層的電導率劇烈的變化，進而使整個器件的局域等離子體激元引起的場增強效應不同，達到一種太赫茲波探測的調制目的；在實現了0.01?3THz的寬波段快速、高靈敏響應的同時，增加了對環境溫度感知的新功能。這對于優化器件結構設計和完善器件功能都有著十分重要的意義，在科學和技術等領域將會發揮著重要作用。

技術領域

本專利涉及太赫茲光電探測器領域，更具體的說，涉及一種基于相變材料的感溫型太赫茲探測器。

背景技術

太赫茲波是一種波長介于微波和紅外之間的電磁波，其頻率范圍為0.1-10THz，具有定向性好、穿透性強、安全性高等特性，目前已廣泛應用于通信、醫療診斷、環境檢測等方面。由于目前太赫茲輻射源的功率普遍較低，以及探測器多功能集成化的需求越來越強烈，發展更高靈敏度、高響應率、多功能化的太赫茲探測器，已成為當今研究熱點之一。

近些年來，超構材料的發展為研究多功能調制型太赫茲探測器奠定了基礎。利用電磁超材料的物理性質的環境依賴性，有關研究者已經利用外界的電場強度、光場強度、溫度以及機械振動等方式改變材料等效的光學常數，實現了器件對太赫茲波的振幅、頻率、相位的調制。其中，利用溫度調制太赫茲器件是一種很簡單方便可行的方式。在眾多對溫度敏感的材料中，二氧化釩是一種具有相變性質的金屬氧化物，其相變溫度為68℃，目前已經被廣泛用于智能控溫領域。在其相變溫度以下，二氧化釩呈絕緣態，電導率較低；在其相變溫度以上，二氧化釩呈現金屬態，電導率相對于絕緣態增大4個數量級[1]；并且該相變為可逆相變。2012年，Mengkun Liu等人[2]通過在金屬諧振結構的溝道里，嵌埋二氧化釩材料，利用溫度變化，改變諧振條件，明顯觀察出溫度變化對該體系透射率的影響。正是利用此相變的性質，二氧化釩目前在光開關、光存儲等領域有著廣泛的研究與應用。但是，目前絕大部分基于相變材料調制的太赫茲器件的研究，還只停留在溫度對光學方面的透反射曲線的影響，并沒有直接涉及到太赫茲探測器件的研究。

在太赫茲探測器方面，申請人所在課題組基于局域等離子體激元的理論，利用金屬-半導體-金屬(MSM)結構，在銻化銦材料[3]上已經實現了高靈敏度室溫太赫茲探測，響應頻率為37.5GHz，噪聲等效功率為1.5*10^-13W/Hz^0.5，達到了國際領先水平。為了進一步發展更高靈敏度、高響應率的太赫茲探測器，超構材料的思想同樣也為我們提供了新的思路。在非共振結構(金屬-半導體-金屬結構)的狹縫中，引入周期性金屬光柵結構層后，通過理論分析和模擬計算，我們發現有金屬光柵的非共振結構的場增強作用，相比于無金屬光柵的非共振結構的場增強作用，有顯著的提高，進而達到了增強太赫茲波探測的目的。除此之外，對于另外一種情形，在金屬-半導體-金屬(MSM)結構的狹縫中，引入很薄的周期性絕緣體光柵結構層后，我們發現場增強作用的變化不明顯，即對探測器的探測效果影響不大，依然保持著傳統的金屬-半導體-金屬(MSM)結構探測器的高靈敏度、高響應率的優異性能。

至此，我們可以通過在金屬-半導體-金屬(MSM)結構的探測器敏感元(銻化銦)上，引入特定的周期性二氧化釩光柵結構層：當環境溫度在68℃以下時，二氧化釩光柵結構層相當于絕緣體光柵結構層，場增強作用的變化不明顯，此時探測器依然保持著高靈敏度高響應率的優異性能；當環境溫度在68℃以上時，二氧化釩光柵結構層相當于金屬光柵結構層，場增強作用的效果明顯，此時探測器有顯著增強探測的效果，促使器件的探測率、響應率等性能指標進一步的提高。