[发明专利]一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，设计太赫兹波调制器及其制备方法，具体为一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波(THz)通常是指频率在0.1THz-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁辐射，处于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。太赫兹波是下一代通信技术关注的重点，是生物医学研究和生化武器探测的理想工具，在无损检测、安全检查以及雷达成像等方面也有非常重要的应用。石墨烯作为一种碳的同素异形体的二维单原子层的薄膜材料，自2004年被发现以来，以其独特的结构、非比寻常的电学性能、光学性能、良好的机械性能及热稳定性广泛应用于场效应晶体管太赫兹波调制器。早期研究报道石墨烯电学输运特性，发现其载流子浓度为2×1011cm^-2，迁移率超过200,000cm²/Vs，研究表明石墨烯表面的杂质吸附或石墨烯和衬底之间的杂质对载流子有散射的作用，会降低载流子迁移率。

近年来，传统石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器采用厚度为300nm或98nm的SiO₂作为介质层，但由于热蒸发生长工艺易造成SiO₂表面不平整，多缺陷，多针孔，导致晶体管漏电流大，耐击穿电压比较小，且太赫兹波调制器调制速率、调制深度都有待提高。如文献《Broadband graphene terahertz modulators enabled by intraband transitions》(Nature Communic ations 3,780(2012)，B.Sensale-Rodriguez,R.Yan,M.M.Kelly,T.Fang,K.Tahy,W.S.Hwang,D.Jena,L.Liu and H.G.Xing)中公开的石墨烯宽带太赫兹调节器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于半导体衬底背面的栅电极；其中介质层采用98nm厚的SiO₂层，其相对调制深度仅为15％，调制速率为18KHz。因此，为适应石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制在太赫兹波通信、太赫兹波探测、太赫兹波成像领域的广泛应用，本发明对石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制做进一步优化设计。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法，用以提高石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的调制速率、调制深度。本发明采用原子层沉积(ALD)法沉积Al₂O₃代替SiO₂作为介质层，ALD沉积的Al₂O₃均匀性好、无缺陷、无针孔，更耐电压，且极大降低漏电流。

本发明的技术方案为：一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于衬底背面的环形栅电极；其特征在于所述介质层为Al₂O₃层，其厚度为5～100nm。

优选的，所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的尺寸为2x2μm～15x15mm。

所述半导体衬底为掺杂半导体硅片、Ge基片或SiC，其电阻率为1～100Ω/cm²、厚度为50～500um。

所述石墨烯薄膜采用CVD法制备，其电阻率为100～3000Ω/cm²。

所述源漏电极、栅电极为金属银、金、铜或镍。

进一步的，所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.清洗半导体衬底：将半导体衬底依次进行超声波清洗、去离子水冲洗后烘干备用；

步骤2.沉积介质层：采用原子层沉积法(ALD)在衬底正面沉积Al₂O₃介质层，将半导体衬底放入原子沉积装置沉积腔中，加热沉积腔至80～120℃，通入氧气与氩气，控制氧气流量为2～20sccm、氩气流量10～20sccm，并保持腔体气压为50～100毫托，打开射频源开关，设置射频功率为180W，通入三甲基铝(TMA)，沉积得厚度为5～100nm的Al₂O₃介质层；