基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器及其製備方法與流程

2023-06-01 11:59:07 1

本發明涉及太赫茲探測技術領域，特別是涉及一種基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器及其製備方法。

背景技術：

太赫茲(Terahertz)頻段位於紅外和微波之間，泛指頻率在0.1～10THz波段內的電磁波。相比於其他頻段電磁波，太赫茲輻射具有很多獨特的特性，如脈寬在皮秒量級、單個脈衝頻帶寬、光子能量低、懼水性，且許多生物大分子的振動頻率在太赫茲頻段，許多非極性材料對太赫茲輻射吸收很小等。因此，太赫茲技術在軍事及民用方面有巨大的應用前景，如太赫茲時域光譜技術、太赫茲雷達、太赫茲探測成像等，其中，太赫茲探測器是太赫茲技術的一個重要應用方面。

一些典型的太赫茲探測器包括基於熱電效應的微測輻射熱計、熱釋電探測器、等離子波探測器及肖特基二極體及量子阱探測器，其中基於熱電效應的微測輻射熱計及熱釋電探測器可以在一定範圍內探測太赫茲輻射，但其存在探測率低、響應速率慢、響應率低且噪音大等一系列問題，而基於光電效應的量子阱探測器需要複雜的製冷裝置以保持低溫工作。等離子波探測器是一種連續可調探測器，受激發的等離子波可以與太赫茲波發生共振產生光電流從而探測太赫茲輻射。基於場效應電晶體的等離子波太赫茲探測器具有響應速度快、響應度高、通過改變柵長可增大探測範圍且等離子共振可在室溫下實現無需複雜的製冷設備等優勢。

石墨烯(Grahpene)是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，其具有優異的機械、電學、熱學及光學性能，自2004年Novoselov和Geim的團隊用機械剝離法製備出室溫存在的單層石墨烯以來，其已逐漸成為研究的熱點。已有研究表明，利用基於石墨烯材料的場效應電晶體可以實現對太赫茲輻射的探測，2008年日本Ryzhii等(Ryzhii V,Mitin V,Ryzhii M,et al.Device model for graphene nanoribbon phototransistor[J].Applied physics express,2008,1(6):063002.)提出了石墨烯納米帶光電電晶體的理論模型，指出石墨烯有望用於研製遠紅外及太赫茲波段探測器，在此以後多種不同結構的基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器被設計出來。2013年，美國Muraviev等(Muraviev A V,etc.Plasmonic and bolometric terahertz detection by graphene field-effect transistor.2013Appl.Phys.Lett.103 181114)研究了背柵結構的石墨烯場效應電晶體(GFET)太赫茲探測器，其發現石墨烯場效應管對太赫茲輻射的探測機理分為兩種：一種是等離子體波模式；另一種是熱輻射模式，並實現了對2.5THz太赫茲輻射的探測，其響應率為150μV/W。

由於石墨烯很高的室溫載流子遷移率(2×105cm2/Vs，是矽的100倍)及特殊的零禁帶寬度結構，利用石墨烯場效應電晶體作為太赫茲探測器，可以同時實現高速、寬頻帶太赫茲探測器，具有極大的應用前景，但由於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電晶體太赫茲探測器的性能，所以目前迫切需要提高該器件對太赫茲輻射的吸收率。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題是提供一種基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器及其製備方法，能夠提高探測器對太赫茲輻射的吸收率。

為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器及其製備方法，包括柵極、襯底層、絕緣層、金屬電極層、石墨烯溝道層，所述柵極形成在所述襯底層下表面，所述絕緣層形成在所述襯底層上表面，所述金屬電極層形成在所述絕緣層上，所述金屬電極層包括金屬電極陣列以及位於所述金屬圖形陣列兩側的源極和漏極，所述金屬電極陣列包括多個周期性間隔排列的金屬電極，所述金屬電極、所述源極和所述漏極的厚度相同，所述石墨烯溝道層形成在所述金屬電極層上，且所述石墨烯溝道層全部覆蓋所述金屬電極陣列以及至少部分覆蓋所述源極和所述漏極。

優選地，所述金屬電極的形狀為十字架形。

優選地，所述金屬電極的邊長為10～100μm，線寬為1～6μm，相鄰兩個金屬電極的間距為1～10μm。

優選地，所述石墨烯溝道層為單層或多層石墨烯薄膜。

優選地，所述柵極、所述源極、所述漏極和所述金屬電極的材料為Al、Au、Ni、Cu、NiCr或Ag，所述柵極、所述源極、所述漏極和所述金屬電極的厚度均為0.05～1μm。

優選地，所述襯底層為高聚物柔性導電薄膜，所述襯底層的厚度為5～300μm。

優選地，所述絕緣層的材料為SiO2、Si3N4、MgO或MnO2，所述絕緣層的厚度為0.05～1μm。

為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供一種基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器的製備方法，所述製備方法包括：提供襯底層，清洗所述襯底層並吹乾後在所述襯底層的下表面沉積得到柵極；在所述襯底層的上表面沉積得到絕緣層；在所述絕緣層上沉積得到金屬前置層；採用光刻工藝對所述金屬前置層進行刻蝕得到金屬電極層，其中，所述金屬電極層包括金屬電極陣列以及位於所述金屬圖形陣列兩側的源極和漏極，所述金屬電極陣列包括多個周期性間隔排列的金屬電極；在所述金屬電極層上轉移得到石墨烯溝道層，其中，所述石墨烯溝道層全部覆蓋所述金屬電極陣列以及至少部分覆蓋所述源極和所述漏極。

區別於現有技術的情況，本發明的有益效果是：通過將石墨烯場效應電晶體設置為背柵式，並在探測器的絕緣層表面集成一層金屬電極陣列，將襯底層及絕緣層作為超材料結構的複合介質層，柵極作為反射層，使底層的反射層、中間的複合介質層和頂層的金屬電極陣列構成太赫茲超材料吸波器，從而能夠探測器對太赫茲輻射的吸收率，並且本發明所提出的器件結構可實現柔性襯底的高響應、高速室溫太赫茲探測器。

附圖說明

圖1是本發明實施例基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器的主視結構示意圖。

圖2是本發明實施例基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器的俯視結構示意圖。

圖3是採用本發明實施例的太赫茲探測器對入射太赫茲輻射的吸收曲線圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

參閱圖1和圖2，本發明實施例基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器包括柵極10、襯底層11、絕緣層12、金屬電極層13、石墨烯溝道層14。

柵極10形成在襯底層11下表面。在本實施例中，襯底層11為高聚物柔性導電(PVDF)薄膜，襯底層11的厚度為5～300μm，本實施例優選為20μm。由於襯底層11具有柔性，使得太赫茲探測器也具有柔性，進而太赫茲探測器能夠應用於多種場合。

絕緣層12形成在襯底層11上表面。在本實施例中，絕緣層12的材料為SiO2、Si3N4、MgO或MnO2，絕緣層12的厚度為0.05～1μm。

金屬電極層13形成在絕緣層12上，金屬電極層13包括金屬電極陣列以及位於金屬圖形陣列兩側的源極132和漏極133，金屬電極陣列包括多個周期性間隔排列的金屬電極131，金屬電極131、源極132和漏極133的厚度相同。在本實施例中，柵極10、源極132、漏極133和金屬電極131的材料為Al、Au、Ni、Cu、NiCr或Ag，柵極10、源極132、漏極133和金屬電極131的厚度均為0.05～1μm，本實施例優選為0.2μm。

在本實施例中，金屬電極131的形狀為十字架形，且金屬電極131的邊長為10～100μm，線寬為1～6μm，相鄰兩個金屬電極131的間距為1～10μm。作為本實施例的優選方案，金屬電極131的邊長為60μm，線寬為3μm，相鄰兩個金屬電極131的間距為10μm。

石墨烯溝道層14形成在金屬電極層13上，且石墨烯溝道層14全部覆蓋金屬電極陣列以及至少部分覆蓋源極132和漏極133。也就是說，石墨烯溝道層14與金屬電極131、源極132和漏極133緊貼，而石墨烯溝道層14未與金屬電極131接觸的部分處於架空。

其中，柵極10、襯底層11、絕緣層12和金屬電極陣列可以構成超材料結構。超材料結構是由周期或非周期的亞波長單元結構組成的新型人工材料，由頂層的金屬層、中間的介質層及底層的連續金屬薄膜反射層構成，其基本工作原理是入射電磁波在空氣-表面金屬結構界面及底部反射面的多次反射折射引起的相消幹涉。通過調整超材料結構的圖形、結構參數及介質層材料厚度等參數可以調節諧振峰的位置及相應的吸收率，實現對目標頻點太赫茲輻射接近100％吸收率的完美吸波。在本實施例中，柵極10作為底層的連續金屬薄膜反射層，襯底層11和絕緣層12作為中間的介質層，金屬電極陣列作為頂層的金屬層。石墨烯溝道層14緊貼在超材料結構的金屬電極陣列上表面，入射的太赫茲輻射在石墨烯溝道層14發生較低吸收率的吸收後入射到超材料結構的金屬電極陣列就可以實現接近100％吸收率的完美吸收，從而能夠提高探測器對太赫茲輻射的吸收率。超材料結構吸收的太赫茲輻射將被傳導至石墨烯溝道層14。

本發明實施例還提供一種製備前述實施例的基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器的製備方法，該製備方法包括以下步驟：

S1：提供襯底層，清洗襯底層並吹乾後在襯底層的下表面沉積得到柵極。

柵極可以採用直流磁控濺射法沉積得到，在本實施例中，柵極為厚0.2μm的金屬鋁薄膜。

S2：在襯底層的上表面沉積得到絕緣層。

絕緣層可以採用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積得到，在本實施例中，絕緣層為厚0.3μm的SiO2薄膜。

S3：在絕緣層上沉積得到金屬前置層。

金屬前置層為一層完整的金屬。在本實施例中，金屬前置層採用金屬鋁。

S4：採用光刻工藝對金屬前置層進行刻蝕得到金屬電極層，其中，金屬電極層包括金屬電極陣列以及位於金屬圖形陣列兩側的源極和漏極，金屬電極陣列包括多個周期性間隔排列的金屬電極。

在刻蝕之前，可以先對不需要刻蝕的金屬前置層上旋塗光刻膠，然後再對金屬前置層進行刻蝕，刻蝕結束後，去除光刻膠，剩餘的金屬就形成金屬電極層。

當然，在其它一些實施例中，金屬電極層的形成方式可以是先在絕緣層上旋塗光刻膠，然後在光刻膠上圖形化出金屬電極陣列、源極和漏極的圖案，然後在圖案上沉積金屬鋁，最後去除剩餘的光刻膠。

S5：在金屬電極層上轉移得到石墨烯溝道層，其中，石墨烯溝道層全部覆蓋金屬電極陣列以及至少部分覆蓋源極和漏極。

石墨烯溝道層的轉移方式可以是：先採用化學氣相沉積工藝在銅襯底表面生長一層石墨烯薄膜，再採用轉移法將石墨烯薄膜轉移到金屬電極層上，並採用反應離子刻蝕法刻蝕掉邊緣多餘的石墨烯薄膜。

採用上述製備方法後，就可以得到前述實施例的基於石墨烯場效應電晶體的太赫茲探測器。採用本發明實施例的製備方法得到的石墨烯太赫茲探測器，可以大幅提高太赫茲輻射吸收率，參閱圖3，由圖中易知該石墨烯太赫茲探測器可以有效的提高對2.5THz附近太赫茲輻射的吸收率。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。