[发明专利]基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种光探测器件，具体涉及一种基于微纳结构增强吸收的石墨烯场效应晶体管、光探测器和其成像应用。

背景技术

石墨烯是一种碳元素的二维层状材料结构，单层石墨的厚度约为0.35纳米，具有非凡的电学、光学和机械等特性。十层以下的石墨都被认为是石墨烯。自从2004年单层石墨烯被成功研制，石墨烯引起了广泛关注。石墨烯因其Dirac-Fermi性质，具有线性的能带结构，具有迄今已发现材料中最高的载流子迁移率（200000cm²V^-1s^-1），因此被广泛的应用于高频纳米电子器件领域。石墨烯同样具有非凡的光学特性，在紫外、可见光到红外波段（300nm到6μm）具有平坦的吸收带，而且吸收特性可以通过加电压来调控（《Science》，第320卷，第206页），因此可以实现宽带高速的光电转换。尽管石墨烯与光具有非常强的相互作用，单层石墨烯（0.34nm厚）在上述波段的吸收就达到了惊人的2.3%（《Physical Review Letters》，第101卷，第196405页；《Science》，第320卷，第1308页），然而由于石墨烯太薄，利用单层或者多层（<10层）的石墨烯对光的有效吸收还远低于目前的其他体材料或者量子阱结构的效率。

近年，各种增强石墨烯与光相互作用，特别是光吸收的研究越来越多。2012年澳大利亚Mueller教授小组提出将石墨烯放在两个一维布拉格光栅反射镜中间，通过微腔增强光子态密度的办法来增强石墨烯与近红外光的相互作用，与没有微腔结构的情况相比，观察到26倍的光吸收增强（《Nano Letters》，第12卷，第2773页）；而在《Nano Letters》同一卷的第3808页公布了利用金属纳米结构的表面等离激元效应来增强光吸收的另一个技术，实验结果获得8倍的可见光波段光电流提高；2012年美英德三国的联合研究小组提出用金属微腔结合晶体管结构来提高石墨烯光探测器的灵敏度，观察到20倍的可见光波段光电流提高（《Nature Communications》，第3卷，第906页）。此外，2011年美国科学家采用石墨烯晶体管观察到二维电子气导致的太赫兹波的吸收现象（《Nature Nanotechnology》，第6卷，第630页）。可以看到基于石墨烯的探测器已经展示了从可见光到太赫兹波的超宽工作范围，虽然上述这些技术通过微腔或者等离激元等效应都展示了一定程度的石墨烯光吸收性能提升，然而技术工艺的复杂度以及性能提升的限制需要业界进一步探索更有效的技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的之一在于提供一种基于超材料结构的石墨烯晶体管，它包括自下而上依次设置的衬底、栅极金属层、栅极介质层、石墨烯层以及源极与漏极金属层；

其中，至少所述源极与漏极金属层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构与栅极金属层及栅极介质层配合形成具有近完全吸收特性的超材料结构。

进一步的，所述超材料结构的阻抗Z等于或接近于（例如，偏差幅度可控制在±10%以内）真空阻抗376.7Ω，其中，                                                ，ε和μ分别为所述超材料结构的介电常数和磁导率。

进一步的，所述源极与漏极金属层的下端面与石墨烯层接触，形成用于连接所述晶体管的源极与漏极的导电沟道。

所述源极与漏极金属层包括源极和漏极，其中，至少所述源极和漏极的局部区域交错排布并形成周期性微纳米结构。

作为较为优选的实施方案之一，所述源极与漏极金属层的厚度为20-200nm。

作为较为优选的实施方案之一，所述栅极金属层的厚度应足以完全阻止光线透过，尤其优选为50nm以上。

所述栅极介质层的材料采用低光吸收的介电材料，例如，可选自但不限于氧化硅、氮化硅或三氧化二铝等。

本发明的另一目的在于提供一种光探测器，它包括如上所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管。

本发明的又一目的在于提供前述基于超材料结构的石墨烯晶体管或前述光探测器在光谱检测分析设备或图像传感设备中的应用。

本发明的再一目的在于提供一种图像传感设备或光谱检测分析设备，它包括阵列分布的复数个如上所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管和/或如上所述的光探测器。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

通过将石墨烯层集成在具有近完全吸收特性的超材料结构中，从而提高石墨烯对光的吸收，即探测器的灵敏度；