[发明专利]石墨烯太赫兹波探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本申请属于半导体太赫兹光电技术领域，特别是涉及一种石墨烯太赫兹波探测器。

背景技术

太赫兹波（THz）是频率为0.3 THz-30 THz的电磁波，位于红外波与毫米波之间。与传统光源相比，太赫兹波具有相干、低能、穿透力强等优异性能，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及有机分子检测、无损成像、分子电子学、新材料研究和雷达通讯方面有重要的应用前景。然而现有商用太赫兹波探测器或是灵敏度低、等效噪声功率高，或是反应速度慢、探测频段范围窄，或是体积庞大、需要低温工作、价格昂贵。

发明内容

本发明的目的提供一种石墨烯太赫兹波探测器及其制作方法，解决现有技术中太赫兹波探测器成本高、响应度低、等效噪声功率高和探测频段范围窄等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种石墨烯太赫兹波探测器，包括石墨烯场效应晶体管以及能够有效耦合太赫兹波的天线，所述天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。

优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述天线为平面天线，所述天线为设于所述源极和漏极之间的对数周期天线或蝶形天线，用以在石墨烯场效应晶体管的电子沟道内产生增强的横向和纵向电场。

优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述石墨烯场效应晶体管包括衬底和依次形成于所述衬底上的衬底氧化层、石墨烯沟道层、顶栅介质层，所述石墨烯沟道层上设置有源极和漏极，所述顶栅极介质层上设置有顶栅，所述衬底上设置有背栅。

优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述衬底为Si基衬底或SiC衬底；所述衬底氧化层为SiO₂绝缘层；所述顶栅介质层的材质选自Al₂O₃或HfO₂。

优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器中，所述天线位于所述顶栅的两侧。

响应地，本发明还公开了一种石墨烯太赫兹波探测器的制作方法，包括：

s1、采用化学气相沉积法生长石墨烯，然后将获得的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上；

s2、采用氧等离子刻蚀技术，去掉多余的石墨烯，形成石墨烯沟道层；

s3、在石墨烯沟道层上制作源极和漏极；

s4、制作顶栅介质层、顶栅和天线。

优选的，在上述的石墨烯太赫兹波探测器的制作方法中，所述步骤s1具体为：采用FeCl₃溶液对Cu的腐蚀性，将以Cu膜为基底采用化学气相沉积法生长的石墨烯转移到有衬底氧化层的衬底上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过顶栅和背栅相结合，对石墨烯二维电子气的输运性质的有效调控，进而实现太赫兹波的探测。石墨烯场效应晶体管顶栅两侧，集成了独立于源极和漏极，能高效耦合太赫兹波的平面天线，使太赫兹信号以电容形式耦合到栅极，能有效增强石墨烯探测器对太赫兹辐射的响应。该探测器在太赫兹波照射下能产生光电流，或是开路电压，进而实现室温、高速、高效、高灵敏、低噪声探测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中石墨烯太赫兹波探测器的俯视图；

图2所示为本发明具体实施例中石墨烯太赫兹波探测器的剖视图。

具体实施方式

石墨烯（Graphene）是第一种被人类研究应用的真正意义上的二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。与传统半导体材料相比其二维电子气有着迁移率高，稳定性高等独特优势。石墨烯场效应晶体管具有独特的双极性，太赫兹辐射下石墨烯中的电子和空穴可以共同参与太赫兹波的响应。

本发明实施例公开了一种石墨烯太赫兹波探测器，该探测器以石墨烯场效应晶体管为基本结构，探测器还包括能够有效耦合太赫兹波的平面天线，平面天线与石墨烯场效应晶体管集成设置，但与石墨烯场效应晶体管的源极和漏极完全独立。

上述的平面天线能有效耦合太赫兹波，使石墨烯沟道层内产生增强的横向和纵向电场。石墨烯场效应晶体管的顶栅和背栅相结合，能有效调控石墨烯二维电子气的导电特性，使石墨烯电子和空穴共同参与太赫兹波的响应，产生有效的响应电流。