[發明專利]基于石墨烯的天線增強太赫茲探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110997126.0
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113764858B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 徐友龍;侯文強;薛旭;姚向華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01Q1/22
• 分類號: H01Q1/22;H01L29/778;H01Q1/36;H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q11/10;H01Q21/00;H01Q21/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開的一種基于石墨烯的天線增強太赫茲探測器及其制備方法，包括對數周期天線和貼片天線；所述對數周期天線包括兩個旋轉對稱且相互連接的天線本體，兩個天線本體分別與場效應晶體管的源極和漏極連接，對數周期天線的饋電點與柵極連接，貼片天線與對數周期天線的中心饋電點相連接，貼片天線通過側饋的方式對周期天線施加激勵。利用對數周期天線充當晶體管探測器的源漏天線，在柵極處再加一個對應探測頻率的矩形貼片天線。兩個天線協同作用，將目標頻段的太赫茲信號引入溝道內，增強探測性能。并且對數周期天線可以多頻段工作，可以拓寬探測器的探測頻譜。

技術領域

本發明涉及太赫茲探測技術領域，具體涉及一種基于石墨烯的天線增強太赫茲探測器及其制備方法。

背景技術

太赫茲波是處于0.1-10Thz的一段電磁波，位于微波波段和紅外波段之間。近些年來，隨著對太赫茲波研究的不斷深入，發現其有眾多獨特的性質，在太赫茲生物、醫學研究、爆炸物檢測、6G通訊、安防檢測以及零部件等無損檢測領域都有著非常廣闊的前景。為了發展太赫茲波技術，太赫茲源與太赫茲探測器是兩個至關重要的難點。

就太赫茲探測器來說，天線是其中至關重要的一個部分。由于太赫茲波段的頻率較高，且信號強度較弱，通常探測器自己的電極很難去耦合到空間中的太赫茲波，因此探測效率普遍較低。為了提高探測器的探測效率，就需要一個精心設計的太赫茲耦合天線，幫助探測器去捕捉空間中的太赫茲波并輸送到探測器的敏感元件上。

此外，基于Dyakonov和Shur提出的等離子體波震蕩原理，從理論上解釋了場效應晶體管(FET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)等器件探測太赫茲波的原理。相比于傳統的熱探測器，場效應晶體管的探測速度要快得多。傳統的場效應晶體管太赫茲探測器所用的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族半導體。目前用的比較多的是GaN/AlGaN材料等，由于其原片可以直接到原廠定制，均一性較好。但是其原片價格較高，生長工藝復雜，不利于大規模生產。近年來，隨著材料制備技術的成熟，一些具有優異光電性質的新型材料也被應用于太赫茲探測器，如石墨烯、碳納米管、黑磷、過渡金屬二硫化物等。石墨烯的載流子遷移率在室溫下約為15000cm²/V?s，是硅材料的10倍以上。并且在某些特定條件下，其遷移率可以達到200000cm²/Vs以上，是已知半導體材料中最高的。并且，本征石墨烯是零帶隙材料，但是經過特殊處理后，可以在零到幾百毫電子伏特范圍內打開其能帶并且進行調制。石墨烯材料滿足太赫茲探測技術對材料的高要求，現在成為了探測器領域的火熱材料。

目前，室溫下的高靈敏度、低成本的太赫茲探測器依舊比較緊缺。現有報道的太赫茲探測器探測頻率較單一，且制備工藝復雜，所需材料價格昂貴，一直限制了太赫茲探測器領域的發展。因此，急需尋找一種器件結構設計合理，制備工藝簡單、可以在室溫下實現多頻段太赫茲波探測的探測器。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于石墨烯的天線增強太赫茲探測器及其制備方法，利用遷移率高的二維材料作為高電子遷移率晶體管的溝道材料，結合雙天線協同耦合空間中的太赫茲波，將太赫茲信號傳輸到溝道中的敏感材料上，有效耦合太赫茲波，實現室溫下的高靈敏太赫茲探測。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種基于石墨烯的天線增強太赫茲探測器，包括對數周期天線和貼片天線；

所述對數周期天線包括兩個旋轉對稱且相互連接的天線本體，兩個天線本體分別與場效應晶體管的源極和漏極連接，對數周期天線的饋電點與柵極連接，貼片天線與對數周期天線的中心饋電點相連接，貼片天線通過側饋的方式對周期天線施加激勵。

優選的，所述天線本體包括扇形的中心饋體，中心饋體的兩側分別設置有多個天線陣子，多個天線陣子沿中心饋體的邊緣呈扇形間隔排布，并且兩側的天線振子沿徑向錯位設置，其中一側的天線振子的內邊緣弧長等于另一側沿徑向相鄰的天線振子的外邊緣弧長。