[发明专利]一种高速石墨烯太赫兹调制器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹功能器件技术领域，具体是指一种高速石墨烯太赫兹调制器，其可在室温下对太赫兹波进行快速有效的调制。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常指频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射(1THz＝10¹²Hz)。一个振荡频率为1THz的电磁波，它的振荡周期为1ps(1ps＝10^-12s)，相应的波长是300μm。一个频率为1THz的光子的能量是4.1MeV，对应于33个波数，它的特征温度是48K。由此可见，太赫兹波具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等许多独特的性能。随着加工技术的进步，太赫兹空隙不断被填补，太赫兹技术越来越多的展现出其在生产生活中的各种应用，尤其在通信领域，同时通讯信道资源的枯竭也急需新的信道资源，因此，太赫兹通信成为近年来被关注的焦点。太赫兹调制器作为对太赫兹波进行控制处理的关键器件，在空间通信、短距离通信及安全检测等领域有着重要作用。

由于自然界中缺少能够直接控制太赫兹波的材料，太赫兹调制器的发展缓慢，直到21世纪超介质的出现，为太赫兹调制器的实现提供了一条有效的途径。超介质通过在传统的媒质材料中嵌入特定几何形状的周期性或非周期性排列的基本谐振单元，构造出自然媒质所不具有的新型电磁特性的人工材料。其可通过人为的设计谐振单元的形状尺寸等，对外加电磁场进行精准调控。2006年，电控超介质太赫兹调制器首次被实现并验证，其后，各研究小组对电控超介质太赫兹调制器在调制深度、调制速率和偏振特性等方面进行了很多探索与改进。传统电控金属-半导体超介质太赫兹调制器具有可在室温下工作、体积小、便于集成与平面化等优势，然而，其调制速率受器件自身较大的RC时间常数与半导体载流子迁移率的影响，亟待进一步的提高。

石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称，是世界上已知的最薄最坚硬的纳米材料。它具有高达5300M/mK的导热系数，15000cm²/Vs的常温电子迁移率，比铜或银更低的电阻率。自从2004年人们发现了能独立存在的二维晶体石墨烯以来，它在电学、光学、热学等方面表现出了独特的性质(双极性场效应，超高的迁移率，带隙调控，量子霍尔效应，透光性等)，吸引了大量的科研工作者对它进行深入研究，并预测了它在微纳电子集成、储能材料、传感器、复合材料等方面广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新材料超介质太赫兹波调制器，以克服传统金属-半导体超介质太赫兹调制器调制速率低等不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

将石墨烯晶体管与超介质调制单元组结合，利用石墨烯晶体管的高速动态特性与超介质对电磁波的精确控制能力，通过改变石墨烯晶体管栅极电压来调控超介质单元开口的通断，从而实现对太赫兹波的高速有效调制。

本发明提供的高速石墨烯太赫兹调制器包括石墨烯晶体管(包括衬底、石墨烯层、缓冲层、源极、漏极和栅极)阵列和超介质调制单元组(包括4个以上“田”字型超介质单元、极板A和极板B)。石墨烯晶体管阵列周期与超介质调制单元组结构相匹配，“田”字型超介质单元开口两端分别与石墨烯晶体管的金属源极和漏极相连接。

所述的石墨烯层、缓冲层和超介质单元从下到上依次制备在所述衬底上，所述超介质单元为田字型结构，田字型结构的四个顶角对应四个开口，每个开口的A端和B端分别设置源极和漏极，所述的源极和漏极均与石墨烯层形成欧姆接触；所述的栅极位于源极和漏极中间，栅极之间呈平行或垂直关系。所述栅极与极板B连接，所述源极和漏极均与极板A连接。

所述石墨烯晶体管阵列和超介质调制单元组上填充隔离层，所述隔离层高度与超介质单元高度一致，可以对石墨烯晶体管中的电极进行隔离及保护。

本发明具有以下优点：

(1)石墨烯本身具有很高的载流子迁移率(可高达25000cm²/VS)和很小的电阻特性，石墨烯晶体管具有高速特性，因此本器件可实现太赫兹波的高速调制，调制速率可高达300MHz。

(2)通过调节石墨烯的费米能级，可以使得石墨烯材料在太赫兹波段具有透明特性，利用单层石墨烯代替传统半导体，石墨烯纳米带或双层石墨烯代替金属作为石墨烯晶体管的栅极，可以增加器件的太赫兹波透过率，有利于提高器件的调制深度，调制深度可高达90％以上。

(3)本发明基于超介质，一种二维的平面结构，器件结构小型化，有利于集成化发展。