[發(fā)明專利]一種在紅外及太赫茲寬頻帶的探測器及其制備方法

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• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112216760A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賴偉恩;袁浩;朱慶
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L31/109;H01L31/115;H01L31/0224;H01L31/18
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 林凡燕

本發(fā)明公開了一種在紅外及太赫茲寬頻帶的探測器，所述探測器包括襯底、石墨烯異質(zhì)結(jié)溝道層、源極金屬天線電極層、漏極金屬電極層、柵極絕緣層和柵極金屬天線電極層；其中，所述石墨烯異質(zhì)結(jié)溝道層于所述襯底上，所述柵極絕緣層覆蓋在所述石墨烯異質(zhì)結(jié)溝道層之上，部分或全部所述源極金屬天線電極層和漏極金屬電極層覆蓋在所述石墨烯異質(zhì)結(jié)溝道層兩端，所述柵極金屬天線電極層引出線形成在部分所述柵極絕緣層上。本發(fā)明還公開了上述探測器的制備方法。本發(fā)明結(jié)合了特殊的天線設(shè)計(jì)以及使用了電學(xué)特性優(yōu)異的石墨烯和二維材料形成的異質(zhì)結(jié)，提高探測器對紅外及太赫茲輻射的吸收率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在紅外及太赫茲寬頻帶的探測器及其制備方法。

背景技術(shù)

太赫茲(THz)波是介于微波與紅外之間，頻段為0.1THz-10THz的電磁波。20世紀(jì)末以來，由于飛秒激光、光電導(dǎo)開關(guān)和光整流等技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用得到迅速發(fā)展。其中，固態(tài)電子學(xué)太赫茲源、探測器以及電真空太赫茲器件取得了重要突破，太赫茲電子學(xué)蓬勃發(fā)展，進(jìn)一步推動了太赫茲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。隨著太赫茲技術(shù)應(yīng)用的廣泛開展,對太赫茲波探測器的響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、帶寬、信噪比和工作環(huán)境等性能也提出了越來越高的要求。受限于太赫茲輻射源的低輸出功率和太赫茲頻率范圍內(nèi)較高的熱輻射背景噪聲等因素,在不同適用環(huán)境和工作范圍內(nèi)各種太赫茲探測器相互補(bǔ)充。目前，隨著國內(nèi)外對太赫茲探測器更進(jìn)一步的研究,不斷提出新型的探測器結(jié)構(gòu)，或者改進(jìn)已有的探測器，性能不斷提高。太赫茲探測也從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如天文、醫(yī)療、環(huán)境檢測、軍事等領(lǐng)域。

太赫茲探測是太赫茲應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，它可以分為相干探測和非相干探測兩大類。相干探測技術(shù)通過非線性器件把太赫茲信號變換到易于探測的低頻信號來處理，例如光電導(dǎo)天線采樣法；非相干探測則是通過把太赫茲信號轉(zhuǎn)化為直流電流或電壓信號來探測，例如場效應(yīng)晶體管探測器等。1996年，國外科學(xué)家研究表明：場效應(yīng)晶體管(FET)中的等離子體非線性可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的探測。目前常用的太赫茲探測器主要有戈萊盒探測器、熱釋電探測器、測輻射熱計(jì)探測器、肖特基二極管以及場效應(yīng)晶體管探測器等，但它們的性能依然存在一些缺點(diǎn)，比如：響應(yīng)時(shí)間慢、靈敏度低、帶寬窄、信噪比低和工作環(huán)境苛刻等。

目前，常用的太赫茲探測器無論是響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、帶寬、噪聲和工作環(huán)境等方面均存在一些缺點(diǎn)，迫切需要新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料和新的探測方法來提高探測器的性能，如：快的響應(yīng)時(shí)間、高靈敏度、寬帶寬、低信噪比和室溫工作環(huán)境等。石墨烯是一種電學(xué)特性優(yōu)異的二維材料，它具有很高的室溫載流子遷移率(2×10⁵cm²/V·s，是硅的100倍)和可調(diào)節(jié)的零帶隙結(jié)構(gòu)。利用石墨烯制造場效應(yīng)晶體管作為太赫茲探測器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速、寬頻帶太赫茲探測器，具有極大的應(yīng)用前景。但由于石墨烯對太赫茲輻射的吸收很低，只有2.3％，這極大的限制了石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器的性能，所以迫切需要提高該器件對太赫茲輻射的吸收率。也有研究實(shí)現(xiàn)了三維石墨烯場效應(yīng)晶體管，以此來增加石墨烯的面積增加對太赫茲吸收，提高響應(yīng)。本發(fā)明使用摻雜的石墨烯材料與硒化錫通過二維材料轉(zhuǎn)移平臺形成異質(zhì)結(jié)制作探測器，結(jié)合設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)天線和超半球透鏡等輔助來提高探測器的性能，如：增加太赫茲波的吸收、提高探測器的靈敏度、降低信噪比等。本發(fā)明詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過程和制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種在紅外及太赫茲寬頻帶的探測器及其制備方法，解決了石墨烯對太赫茲輻射吸收率低的問題，能夠提高探測器對紅外及太赫茲輻射的吸收率，進(jìn)而達(dá)到快的響應(yīng)時(shí)間、高靈敏度、寬帶寬、低信噪比和室溫工作環(huán)境的探測器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：