[发明专利]一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及室温太赫兹探测技术领域，特别是涉及一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，介于红外频段与微波频段之间，相比于红外辐射与微波波段的电磁波，其具有很多独特的性质，如可穿透性、低能性、宽带性、高空间的时间相干性等，这使它在天体物理学、材料科学、生物医学、环境科学、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广泛的技术应用。其中太赫兹探测成像技术是太赫兹技术的重要应用领域。

太赫兹探测技术包括太赫兹相干探测方法及非相干探测方法。常见的太赫兹脉冲相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测及空气等离子探测等方法；太赫兹非相干探测器件包括基于光热效应的微测辐射热计、热释电探测器、高莱探测器以及基于光电效应的肖特基二极管、场效应管及量子阱探测器等。具有微桥结构的太赫兹探测器具有室温探测、阵列化、简单易携且与红外探测器、工艺相兼容等优点，是现今发展的主流。

传统的具有微桥结构的太赫兹探测器是对红外探测器的延伸应用，但相比于红外辐射，太赫兹辐射的波长更长，能量更低，导致传统的太赫兹探测器对太赫兹辐射能量吸收较低，探测性能也相应的受到影响。为了提高太赫兹探测器的性能，目前提出了一些改进，包括：从多角度多微桥结构进行了优化，如设计新型的微桥桥腿，如“I”型、“L”型、“S”型；将单层微桥结构改进为双层结构，提高器件占空比；改进探测器敏感材料，选用新型材料作为探测器敏感层；2008年，日本NEC公司(Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12)通过在传统的基于VO_x热敏材料的微桥结构顶层增加一层金属吸收层以提高微桥对太赫兹辐射的吸收率。这些改进对太赫兹探测器的性能有一定提升，但工艺复杂，制备条件严格。

石墨烯(graphene)是由碳原子按六边形蜂窝状排列形成的单层二维平面晶体材，其单原子层厚度仅有0.335nm，是目前已知最薄的晶体材料。由于其特殊的原子排列及能带结构，使其具有一系列独特性质，如极高的机械性能，良好的导电性及优异的导热性等，自2004年Novoselov和Geim的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，其已逐渐成为研究的热点。由于石墨烯具有很高的室温载流子迁移率(2×10⁵cm²/Vs，是硅的100倍)及特殊的零禁带宽度结构，利用石墨烯场效应晶体管作为太赫兹探测器，可以同时实现高速、宽频带太赫兹探测器，具有极大的应用前景。石墨烯对太赫兹辐射的响应有两种机理：一种是等离子体波模式；另一种是热辐射模式。但同时，采用石墨烯作为敏感材料存在的问题在于石墨烯对太赫兹辐射的吸收较低，一般为2.3％左右，限制了石墨烯作为太赫兹探测器敏感层的性能。

因此，如何提高采用石墨烯作为敏感材料的太赫兹探测器的太赫兹辐射吸收率是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法，能够解决现阶段太赫兹探测器存在的对太赫兹辐射吸收率低和响应低的问题，同时具有结构简单、易于阵列化等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种石墨烯太赫兹探测器，包括：硅衬底层；底部钝化层，所述底部钝化层形成于所述硅衬底层上；金属反射层，所述金属反射层形成于所述底部钝化层上；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述底部钝化层上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层形成于所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的一端电性连接所述石墨烯薄膜层，另一端连接所述底部钝化层；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层形成于所述电极层上；金属图形层，所述金属图形层形成于所述石墨烯薄膜层上；其中，所述微桥空腔、所述微桥支撑层以及所述石墨烯薄膜层构成复合介质层，所述金属反射层、所述复合介质层和所述金属图形层共同构成超材料结构。

优选地，所述石墨烯薄膜层的厚度为0.3～10nm。