[实用新型]一种可调控的室温石墨烯太赫兹探测器

说明书

本专利公开了一种可调控的室温石墨烯太赫兹探测器。器件结构自下而上依次为：第一层是衬底、第二层是石墨烯以及搭在石墨烯上的平面开口环天线和与天线相连的金属电极、第三层是介质层，第四层是栅极。器件制备步骤是采用湿法转移技术将石墨烯转移到衬底上，制备平面开口环天线和金属电极，用氧离子刻蚀对石墨烯图形化作为沟道材料，用原子层沉积工艺生长栅介质层，制备栅极，形成太赫兹探测器。其工作原理是，石墨烯内载流子的浓度和速度受到太赫兹电场的调控，发生分布式电阻自混频，产生直流响应信号。该探测器具有高速、宽频和高响应率等特点，可实现源漏偏压和栅压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

技术领域

本专利涉及一种可调控的室温石墨烯太赫兹探测器及其制备方法，具体指将石墨烯材料和平面开口环天线相结合制备场效应管器件，利用石墨烯零带隙，载流子迁移率高的特点实现快速响应，利用平面开口环天线实现太赫兹电场的高效耦合，进而实现高响应率。器件的原理是：在太赫兹光照下，石墨烯内载流子的浓度和速度受到太赫兹电场的调控，发生分布式电阻自混频，产生直流响应信号。该探测器具有高速、宽频和高响应率等特点，可实现源漏偏压和栅压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

背景技术

太赫兹波是频率范围介于0.1THz到10THz内的电磁波，其波长对应于3毫米到30微米，光子对应能量的特征值是4毫电子伏特。该能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，远小于一般半导体的能隙，在传播、散射和吸收等方面表现出与微波、红外和可见光不同的特征，为信息的传输、物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间。太赫兹波段位于电子学科和光子学科的交叉领域，相关研究可以促进这两个学科融合和发展。目前，对太赫兹的研究和开发还不够成熟，缺少高效的太赫兹源、太赫兹探测器和太赫兹调制器，因此被称为“太赫兹空白(THz Gap)”。

太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置决定了它具有许多独特的性质：(1)太赫兹辐射的光子能量一般只有毫电子伏，低于常见物质的化学键键能，因此太赫兹波能够有效地确保被探测物的结构完整性，而不会引起电离破坏，可以应用于对机场、车站、码头等公共场合进行安全检查。(2)许多有机结构大分子的本征振动都处在太赫兹波段，这些物质都有对应的太赫兹指纹谱，可以利用太赫兹波进行物质的鉴别和检测。(3)太赫兹辐射具有较强的穿透性，可用于质量监测和对非透明物体透视成像。(4)太赫兹辐射的脉冲宽度只有皮秒量级，时域频谱测量的信噪比高，所以非常适合成像技术。(5)太赫兹波的带宽大、无线传输的速率高，背景噪声小且不容易被干扰，在无线间通讯领域中有着巨大的应用价值。(6)太赫兹波相干性好，通过相干测量和傅里叶变换技术，可以快速地获得物体电磁特性。总之，太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外之间，并且拥有众多优良的特性，在安检、物质鉴定、医学、成像以及通信等领域拥有巨大的发展前景，因此开展对太赫兹波的探测技术的深入研究具有现实意义。

发展高速、高响应率、可室温工作的太赫兹探测技术是实现太赫兹技术发展应用的关键，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的突破口。目前的商用太赫兹探测器包括热释电太赫兹探测器，热辐射计和肖特基二极管。通常，热释电探测器的响应速度比较慢；肖特基二极管工作频率比较低，工艺复杂；热辐射计需要在低温工作条件。另外，量子阱太赫兹探测器很容易受到热扰动的影响；场效应晶体管太赫兹探测器的量子效率还比较低。因此，开发新的材料和探索新的原理来实现太赫兹探测成为太赫兹探测领域的热点，受到广泛关注。石墨烯材料，具有零带隙，电子迁移率大，机械强度高，可大面积生长等优点；平面开口环天线能够实现对太赫兹电场有效耦合。两者共同为发展新型太赫兹探测器提供了新的选择方案。

发明内容

本专利提出一种可调控的室温石墨烯太赫兹探测器，实现了快速，高灵敏度室温太赫兹探测。其工作原理是，当太赫兹光照射器件时，石墨烯内载流子的浓度和速度受到太赫兹电场的调控，发生分布式电阻自混频，产生直流响应信号。该探测器具有高速、宽频和高响应率等特点，可实现源漏偏压和栅压的双重调控，为实现室温太赫兹探测器大规模应用奠定基础。