[發明專利]室溫周期對數天線集成的碲化鎳太赫茲探測器及制備方法

在審

• 申請號: 202110265603.4
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113049096A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 王林;張力波;沈家忠;邢懷中;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: G01J1/42
• 分類號: G01J1/42;H01L31/115
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種室溫周期對數天線集成的碲化鎳太赫茲探測器及制備`方法。器件制備步驟是將機械剝離的碲化鎳轉移到本征高阻硅襯底上，利用紫外光刻技術制作源、漏電極，并利用電子束蒸發和超聲引線等工藝，制備成具有周期對數天線結構的碲化鎳探測器。通過構造具有周期對數的金屬結構天線，誘導表面等離子體共振，將太赫茲入射光子耦合到碲化鎳表面，增強入射電磁波與材料的相互作用，實現室溫高靈敏的太赫茲寬譜吸收，從而顯著增強了探測器的源漏電流，大幅提高了器件的信噪比和探測能力。基于碲化鎳的探測器在太赫茲波段體現了很高的靈敏度。本發明的優點是響應率高，響應快，功耗低和便于集成化。

技術領域

本發明涉及周期對數天線結構的碲化鎳太赫茲探測器件的天線結構設計，制備方法和性能研究，具體是指利用碲化鎳的高遷移率的特性，通過構造具有周期對數的金屬結構天線，誘導表面等離子體共振，將長波入射光子耦合到半金屬材料碲化鎳的表面，增強入射電磁波與材料的相互作用，增強室溫高靈敏的太赫茲寬譜吸收，從而顯著增強了探測器的源漏電流，實現光電信號轉換，大幅提高了器件在太赫茲波段的探測靈敏度和信噪比。

背景技術

太赫茲波是頻率范圍介于0.1THz到10THz內的電磁波，其波長對應于3mm到30μm，光子對應能量的特征值在毫電子伏特級別。該能量范圍與分子的振動能和轉動能相匹配，遠小于一般半導體的能隙，在傳播、散射和吸收等方面表現出與微波、紅外和可見光不同的特征，為信息的傳輸、物質材料的表征和操控提供了很大的自由空間。太赫茲波段位于電子學科和光子學科的交叉領域，相關研究可以促進這兩個學科融合和發展。目前，對太赫茲的研究和開發還不夠成熟，缺少高效的太赫茲源、太赫茲探測器和太赫茲調制器，因此被稱為“太赫茲空白”。

發展高速、高響應率、可室溫工作的太赫茲探測技術是實現太赫茲技術發展應用的關鍵，提高光與器件耦合能力和光電轉化效率是太赫茲探測的突破口。目前的商用太赫茲探測器包括熱釋電太赫茲探測器，熱輻射計和肖特基二極管。通常，熱釋電探測器的響應速度比較慢；肖特基二極管工作頻率比較低，工藝復雜；熱輻射計需要在低溫工作條件。另外，量子阱太赫茲探測器很容易受到熱擾動的影響；場效應晶體管太赫茲探測器的量子效率還比較低。因此，開發新的材料和探索新的原理來實現太赫茲探測成為太赫茲探測領域的熱點，受到廣泛關注。

拓撲狄拉克金屬材料的出現為發現新的準粒子提供了一個理想的實驗系統，而這些準粒子在高能物理中往往是難以捉摸的，他們可能會有手性相關的輸運特性和非線性光學現象，而且這些性質會依賴于時間或空間反轉對稱性的破缺。這類材料是否會在實際技術應用中表現出新穎的特性，甚至是增強的特性還沒有被得到證實。迄今為止，對于第二類狄拉克半金屬材料的非線性光學響應主要集中在可見光和紅外波長波段。如今，太赫茲頻率相關技術廣泛應用于國土安全、質量檢測、生物學、醫學、光譜學、數據通信和成像等領域。因此，確定第二類的狄拉克半金屬材料是否可以有效吸收太赫茲頻率的電磁場能量，仍然是最重要的一個技術挑戰，是新一代光電科技技術的一個關鍵的優先任務。

發明內容

本發明提供了一種室溫周期對數天線集成碲化鎳太赫茲探測器的天線結構設計，制備方法和性能研究。該探測器利用獨特的周期對數天線結構，可誘導表面等離子體共振，將長波入射光子耦合到碲化鎳的表面，增強入射電磁波與材料的相互作用，實現室溫高靈敏的太赫茲寬譜吸收，從而顯著增強了探測器的源漏電流，實現光電信號轉換，實現了快速，高靈敏度室溫太赫茲探測。

所述的探測器的結構為：所述探測器的結構為：在本征高阻硅襯底1上是二氧化硅層2，在二氧化硅層2上的有碲化鎳3，在碲化鎳3兩端是源電極4和漏電極5，其結構由22個對稱振子組成，所有振子以及振子之間的距離都有確定的比例關系，其比例因子為0.7,頂角為45°。左右兩側以同心圓圓心為對稱中心形成中心對稱，同心圓最大半徑為1mm，左右兩邊各有11個不同大小的圓環。由同心圓兩邊緣引出兩電極用于連接電路。

所述的襯底1是本征高阻硅，其電阻率為10000Ω·cm,厚度為500μm；覆蓋在其上的是二氧化硅2，厚度為300nm；