一種石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計太赫茲波調(diào)制器及其制備方法，具體為一種石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波(THz)通常是指頻率在0.1THz-10THz(1THz = 1012Hz)范圍內(nèi)的電磁輻射，處于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域。太赫茲波是下一代通信技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)，是生物醫(yī)學(xué)研宄和生化武器探測的理想工具，在無損檢測、安全檢查以及雷達(dá)成像等方面也有非常重要的應(yīng)用。石墨烯作為一種碳的同素異形體的二維單原子層的薄膜材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、非比尋常的電學(xué)性能、光學(xué)性能、良好的機(jī)械性能及熱穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器。早期研宄報道石墨烯電學(xué)輸運(yùn)特性，發(fā)現(xiàn)其載流子濃度為2 X 101 lcm_2，迀移率超過200，000cm2/Vs，研宄表明石墨烯表面的雜質(zhì)吸附或石墨烯和襯底之間的雜質(zhì)對載流子有散射的作用，會降低載流子迀移率。
[0003]近年來，傳統(tǒng)石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器采用厚度為300nm或98nm的S12作為介質(zhì)層，但由于熱蒸發(fā)生長工藝易造成S1 2表面不平整，多缺陷，多針孔，導(dǎo)致晶體管漏電流大，耐擊穿電壓比較小，且太赫茲波調(diào)制器調(diào)制速率、調(diào)制深度都有待提高。如文獻(xiàn)〈〈Broadband graphene terahertz modulators enabled by intraband transit1ns))(Nature Communic at1ns 3, 780 (2012), B.Sensale-Rodriguez, R.Yan, Μ.M.Kelly, T.Fang, K.Tahy, ff.S.Hwang, D.Jena, L.Liu and H.G.Xing)中公開的石墨稀寬帶太赫茲調(diào)節(jié)器，包括半導(dǎo)體襯底、襯底上依次設(shè)置的介質(zhì)層、石墨烯薄膜、源漏電極以及設(shè)置于半導(dǎo)體襯底背面的柵電極；其中介質(zhì)層采用98nm厚的S1jl，其相對調(diào)制深度僅為15%，調(diào)制速率為18KHz。因此，為適應(yīng)石墨稀場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制在太赫茲波通彳目、太赫茲波探測、太赫茲波成像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本發(fā)明對石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器及其制備方法，用以提高石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速率、調(diào)制深度。本發(fā)明采用原子層沉積(ALD)法沉積Al2O3代替S12作為介質(zhì)層，ALD沉積的Al2O3均勻性好、無缺陷、無針孔，更耐電壓，且極大降低漏電流。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器，包括半導(dǎo)體襯底、襯底上依次設(shè)置的介質(zhì)層、石墨烯薄膜、源漏電極以及設(shè)置于襯底背面的環(huán)形柵電極；其特征在于所述介質(zhì)層為Al2O3層，其厚度為5?100nm。
[0006]優(yōu)選的，所述石墨稀場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器的尺寸為2x2 μπι?15x15mm。
[0007]所述半導(dǎo)體襯底為摻雜半導(dǎo)體娃片、Ge基片或SiC，其電阻率為I?100 Ω /cm2、厚度為50?500um。
[0008]所述石墨烯薄膜采用CVD法制備，其電阻率為100?3000 Ω /cm2。
[0009]所述源漏電極、柵電極為金屬銀、金、銅或鎳。
[0010]進(jìn)一步的，所述石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟1.清洗半導(dǎo)體襯底:將半導(dǎo)體襯底依次進(jìn)行超聲波清洗、去離子水沖洗后烘干備用；
[0012]步驟2.沉積介質(zhì)層:采用原子層沉積法(ALD)在襯底正面沉積Al2O3介質(zhì)層，將半導(dǎo)體襯底放入原子沉積裝置沉積腔中，加熱沉積腔至80?120°C，通入氧氣與氬氣，控制氧氣流量為2?20sccm、氬氣流量10?20sccm，并保持腔體氣壓為50?100毫托，打開射頻源開關(guān)，設(shè)置射頻功率為180W，通入三甲基鋁(TMA)，沉積得厚度為5?10nm的Al2O3介質(zhì)層；
[0013]步驟3.轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:首先在生長有石墨烯薄膜的金屬基體上旋涂一層PMMA，然后將金屬基體放入？冗13或Fe (NO 3)3溶液中將基體腐蝕干凈，再將載有石墨烯薄膜的PMMA用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移至Al2O3介質(zhì)層上，最后采用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即成石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移；
[0014]步驟4.制備電極:在石墨烯薄膜上制備一對金屬電極，分別作為源電極和漏電極；再在半導(dǎo)體襯底背面制備一環(huán)形金屬電極，作為柵電極；
[0015]即制備得石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟I清洗半導(dǎo)體襯底具體為:首先將半導(dǎo)體襯底放入盛有丙酮的燒杯中進(jìn)行超聲波清洗10分鐘，然后將半導(dǎo)體襯底放入盛有酒精的燒杯中超聲波清洗10分鐘，最后用去離子水沖洗，清洗后的襯底放入烘箱中于120°C下干燥2小時備用。
[0017]所述石墨烯薄膜采用CVD法制備，其電阻率為100?3000 Ω /cm2。
[0018]所述源漏電極、柵電極為金屬銀、金、銅或鎳，采用常規(guī)磁控濺射法制備。
[0019]本發(fā)明提供一種石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器，采用Al2O3代替S12作為介質(zhì)層材料，Al2O3作為介質(zhì)層能夠在更小的厚度達(dá)到抗擊穿電壓要求，減小了介質(zhì)層厚度；并且Al2O3介質(zhì)層厚度越小對太赫茲波響應(yīng)速率越快，背柵電壓調(diào)制載流子越明顯，太赫茲波功率利用率越高；同時Al2O3作為介質(zhì)層更耐電壓，且極大降低漏電流。另外，本發(fā)明提供的制備方法中用ALD沉積的Al2O3均勻性好、無缺陷、無針孔。
[0020]本發(fā)明的提供的石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速度能夠達(dá)到178KHZ，相對調(diào)制深度大于22%，顯著提高太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速率及相對調(diào)制深度；而且Al2O3介質(zhì)層比傳統(tǒng)5102介質(zhì)層更耐電壓，而且極大降低漏電流；可廣泛應(yīng)用于太赫茲波通信系統(tǒng)、太赫茲波探測、太赫茲波成像等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器結(jié)構(gòu)三維示意圖，其中(a)為半導(dǎo)體襯底、(b)為介質(zhì)層、(C)為石墨烯薄膜、(d)、(e)為源漏電極。
[0022]圖2是本發(fā)明石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器結(jié)構(gòu)背面示意圖，其中(f)為柵電極。
[0023]圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】中沉積得Al2O3介質(zhì)層測試圖，其中，(a)為氧化鋁薄膜的X射線衍射譜，(b)為Al2O3薄膜沉積于襯底的SEM截面圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】所采用的單層石墨烯的Raman光譜。
[0025]圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】所采用的石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲調(diào)制時域譜。
[0026]圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】所采用的石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲調(diào)制時域譜。
[0027]圖7是本發(fā)明的【具體實施方式】所采用的石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲調(diào)制檢測到的330GHz太赫茲光束通過調(diào)制器得到的調(diào)制信號的載波頻率。
[0028]圖8是本發(fā)明的【具體實施方式】所采用的石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲調(diào)制數(shù)據(jù)擬合曲線。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，需要說明的是本發(fā)明并不局限于該實施例。
[0030]石墨烯場效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器制備，包括以下步驟:
[0031]步驟1.清洗半導(dǎo)體襯底(a):首先將Si基片放入盛有丙酮的燒杯中進(jìn)行超聲波清洗10分鐘，然后將Si