[发明专利]基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz)频段位于红外和微波之间，泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波。相比于其他频段电磁波，太赫兹辐射具有很多独特的特性，如脉宽在皮秒量级、单个脉冲频带宽、光子能量低、惧水性，且许多生物大分子的振动频率在太赫兹频段，许多非极性材料对太赫兹辐射吸收很小等。因此，太赫兹技术在军事及民用方面有巨大的应用前景，如太赫兹时域光谱技术、太赫兹雷达、太赫兹探测成像等，其中，太赫兹探测器是太赫兹技术的一个重要应用方面。

一些典型的太赫兹探测器包括基于热电效应的微测辐射热计、热释电探测器、等离子波探测器及肖特基二极管及量子阱探测器，其中基于热电效应的微测辐射热计及热释电探测器可以在一定范围内探测太赫兹辐射，但其存在探测率低、响应速率慢、响应率低且噪音大等一系列问题，而基于光电效应的量子阱探测器需要复杂的制冷装置以保持低温工作。等离子波探测器是一种连续可调探测器，受激发的等离子波可以与太赫兹波发生共振产生光电流从而探测太赫兹辐射。基于场效应晶体管的等离子波太赫兹探测器具有响应速度快、响应度高、通过改变栅长可增大探测范围且等离子共振可在室温下实现无需复杂的制冷设备等优势。

石墨烯(Grahpene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其具有优异的机械、电学、热学及光学性能，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。已有研究表明，利用基于石墨烯材料的场效应晶体管可以实现对太赫兹辐射的探测，2008年日本Ryzhii等(Ryzhii V,Mitin V,Ryzhii M,et al.Device model for graphene nanoribbon phototransistor[J].Applied physics express,2008,1(6):063002.)提出了石墨烯纳米带光电晶体管的理论模型，指出石墨烯有望用于研制远红外及太赫兹波段探测器，在此以后多种不同结构的基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器被设计出来。2013年，美国Muraviev等(Muraviev A V,etc.Plasmonic and bolometric terahertz detection by graphene field-effect transistor.2013Appl.Phys.Lett.103 181114)研究了背栅结构的石墨烯场效应晶体管(GFET)太赫兹探测器，其发现石墨烯场效应管对太赫兹辐射的探测机理分为两种：一种是等离子体波模式；另一种是热辐射模式，并实现了对2.5THz太赫兹辐射的探测，其响应率为150μV/W。

由于石墨烯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，但由于石墨烯对太赫兹辐射的吸收很低，只有2.3％，这极大的限制了石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器的性能，所以目前迫切需要提高该器件对太赫兹辐射的吸收率。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法，能够提高探测器对太赫兹辐射的吸收率。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法，包括栅极、衬底层、绝缘层、金属电极层、石墨烯沟道层，所述栅极形成在所述衬底层下表面，所述绝缘层形成在所述衬底层上表面，所述金属电极层形成在所述绝缘层上，所述金属电极层包括金属电极阵列以及位于所述金属图形阵列两侧的源极和漏极，所述金属电极阵列包括多个周期性间隔排列的金属电极，所述金属电极、所述源极和所述漏极的厚度相同，所述石墨烯沟道层形成在所述金属电极层上，且所述石墨烯沟道层全部覆盖所述金属电极阵列以及至少部分覆盖所述源极和所述漏极。

优选地，所述金属电极的形状为十字架形。

优选地，所述金属电极的边长为10～100μm，线宽为1～6μm，相邻两个金属电极的间距为1～10μm。

优选地，所述石墨烯沟道层为单层或多层石墨烯薄膜。