本專利涉及一種太赫茲波探測器，特別涉及一種在室溫條件下劈裂柵極/氧化鋁柵介質(zhì)層/石墨烯/對數(shù)周期天線/藍寶石襯底結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管對0.02～0.4THz亞太赫茲波，實現(xiàn)高速、寬頻、響應(yīng)高且可調(diào)控的類光導(dǎo)與類光伏探測。

背景技術(shù)：

太赫茲波是頻率0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)范圍內(nèi)的電磁波，波長范圍為3mm～30μm，位于毫米波(亞毫米波)與紅外波之間。太赫茲光子對應(yīng)能量范圍為0.414～41.4meV，與分子和材料的低頻振動和轉(zhuǎn)動能量范圍相匹配。這些決定了太赫茲波在電磁頻譜中的特殊位置以及在傳播、散射、反射、吸收、穿透等方面與毫米波、紅外線顯著不同的特點和應(yīng)用，也將為人們對物質(zhì)的表征和操控提供很大的自由空間。

太赫茲波具有很多獨特的性質(zhì)如寬頻性、透視性、安全性等，它在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)領(lǐng)域，以及反恐、有無損成像、光譜分析和雷達通訊方面有著重要的應(yīng)用前景：(1)太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有很大的吸引力。在皮膚癌的診斷和治療、太赫茲波斷層成像以及藥物的分析和檢測等方面都顯示了其強大的功能和成效。由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率均在太赫茲波段，而且太赫茲波輻射技術(shù)又可提取DNA的重要信息，因此，太赫茲波在植物，特別是糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等方面可以起重要的作用。(2)太赫茲波輻射可以穿透煙霧，又可檢測出有毒或有害分子，所以在環(huán)境監(jiān)測和保護方面可以發(fā)揮重要作用。太赫茲波對很多非金屬和非極性電介質(zhì)材料具有很強的穿透力，包括衣物、包裹、陶制品甚至墻壁等材料，可以實現(xiàn)對這些材料中攜帶的隱藏爆炸物進行非接觸式檢測。太赫茲實時檢測手段，相比于其他技術(shù)，在太赫茲波段不同炸藥種類所具有的特征吸收和色散各有不同，具有指紋譜性。利用太赫茲技術(shù)對它們進行探測和識別，進而分析物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。(3)太赫茲波的能量比較低，僅有幾毫電子伏特，對人體不會造成電離傷害，也不會危害人體健康，由此可以方便地對隱藏在這些包裝材料中的爆炸物進行探測，也極大地保障了檢測人員和設(shè)備的安全。同時，太赫茲波在雷達和通信，航天飛機可能故障的探測以及天文等方面的應(yīng)用也有很大的潛力

在太赫茲波段的開發(fā)和應(yīng)用中，檢測太赫茲波信號具有舉足輕重的意義。因為，一方面，與較短波長的光學(xué)波段電磁波相比，太赫茲波光子能量低，背景噪聲通常占據(jù)顯著地位；另一方面，隨著太赫茲技術(shù)在各領(lǐng)域特別是軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用的深入開展，不斷提高接收靈敏度成為必然的要求。現(xiàn)有的商用太赫茲波探測器包括輻射熱機(需要低溫工作)、肖特基二極管(需要低溫工作且響應(yīng)頻率低于1Hz以下)、熱釋電探測器(響應(yīng)速度慢)。Dyakonov和Shur于1993年闡述了場效應(yīng)管中等離子體波在溝道中被激發(fā)實現(xiàn)太赫茲波探測，在石墨烯、硅及砷化鎵等材料上得到了實驗的驗證。但是這類器件普遍工作在低溫下、靈敏度較低及噪聲比較大。室溫下等離子體波在溝道中被激發(fā)，材料的高遷移率是關(guān)鍵因素，而且，分布式電阻也限制了器件的帶寬和速度。因此，需要探索新的物理機制和材料體系實現(xiàn)太赫茲波探測。由于石墨烯材料具有獨特的物理結(jié)構(gòu)、特殊的電學(xué)特性及光學(xué)特性為太赫茲探測研究提供一個好的平臺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)的問題和理論，本專利的目的是提出以具有高遷移率且載流子濃度可調(diào)的石墨烯場效應(yīng)晶體管為基本結(jié)構(gòu)單元，集成一組亞太赫茲波耦合天線的源漏電極和劈裂柵極，一種在室溫條件下劈裂柵極/氧化鋁柵氧化層/石墨烯/對數(shù)周期/藍寶石襯底的亞太赫茲波探測器，實現(xiàn)高速、寬頻、響應(yīng)高且可調(diào)控的類光導(dǎo)與類光伏亞太赫茲探測。

本專利的上述目的，將通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)：

所述探測器在藍寶石襯底1上集成對數(shù)周期天線3以及引線電極2，且對數(shù)周期天線3兩臂分別與對應(yīng)的引線電極2相連；在對數(shù)周期天線3間距中轉(zhuǎn)移具有高遷移率且載流子濃度可調(diào)的石墨烯導(dǎo)電溝道4，石墨烯導(dǎo)電溝道4與對數(shù)周期天線3兩臂互連，形成良好的歐姆接觸；在石墨烯導(dǎo)電溝道4上有氧化鋁柵介質(zhì)層5；最后，在石墨烯導(dǎo)電溝道的氧化鋁柵介質(zhì)層5上集成劈裂柵極6以及相應(yīng)的引線電極2，實現(xiàn)可調(diào)控的亞太赫茲波探測。

所述的藍寶石襯底1的厚度0.5～1mm；

所述的對數(shù)周期天線3為金膜尺寸為：外半徑1～2mm，厚度100～200nm；

所述的引線電極2為金電極，厚度200～400nm；

所述的石墨烯導(dǎo)電溝道4長度為5～10μm，遷移率1000～10000cm²V^-1s^-1，載流子濃度10¹¹～10¹⁴cm^-2；

所述的氧化鋁柵介質(zhì)層5厚度為30～50nm；

所述的劈裂頂柵6為金膜，線寬1～2.2μm，線間距500～600nm，厚度20～60nm。

本發(fā)明的上述目的，是通過以下技術(shù)方案制作完成的。

1)首先將藍寶石襯底進行表面清洗，并通過切割技術(shù)將襯底和銅片上生長的石墨烯切成尺寸1.5cm×1.5cm樣品；

2)使用紫外光刻、電子束蒸發(fā)法及剝離工藝制備對數(shù)周期天線和引線電極，包括溝道、紫外光刻的對準標記以及電子束光刻對準標記；

3)將銅片上生長的石墨烯，通過FeCl₃溶液刻蝕法，刻蝕銅片襯底約24h，然后在體積比約1/10的稀釋鹽酸和去離子水混合溶液中清洗覆蓋PMMA的石墨烯薄膜，清洗完，將覆蓋PMMA的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到具有天線結(jié)構(gòu)的藍寶石襯底上，陰干約4h，在丙酮中靜置20～25min去除PMMA，最后，在60～80℃的溫度條件下烘干20～25min；

4)利用紫外光刻和氧離子刻蝕法，刻蝕長度約5～10μm石墨烯導(dǎo)電溝道，并在體積比約1/5氫氣和氮氣混合氣體下進行約300℃高溫退火處理，去除石墨烯殘留的光刻膠和水，形成良好的歐姆接觸；

5)利用原子層沉積技術(shù)，在整個樣品上300℃高溫沉積氧化鋁柵介質(zhì)層；

6)通過紫外光刻和溶液腐蝕法，將氧化鋁柵介質(zhì)層覆蓋的與天線相連的引線電極暴露出來，以便引線測試；

7)利用步驟3)中的方法再在樣品上轉(zhuǎn)移一層石墨烯，充當導(dǎo)電層，保證電子束曝光的精準性，避免藍寶石襯底導(dǎo)電性差影響電子束嚗光；

8)通過電子束嚗光和電子束蒸發(fā)法及剝離工藝制備劈裂柵極及其引線電極；

9)通過紫外光刻、電子束蒸發(fā)及剝離工藝制備300～400nm加厚電極；

10)最后，采用標準的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，對器件進行封裝與測試。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案，其創(chuàng)新優(yōu)點體現(xiàn)在：

1、采用載流子遷移率高且可調(diào)的石墨烯材料作為導(dǎo)電溝道，利用石墨烯太赫茲等離子體波整流或熱電效應(yīng)，實現(xiàn)高速、可調(diào)控的太赫茲探測。

2、集成對數(shù)周期天線和劈裂柵極，實現(xiàn)強的光場耦合和分布，提高器件的集成度和小型化，實現(xiàn)類光導(dǎo)與類光伏的亞太赫茲探測。

3、藍寶石作為襯底，避免對太赫茲的強反射；而且器件的集成度、工藝成熟及可重復(fù)性為實現(xiàn)太赫茲波探測器的陣列化和大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)

附圖說明

圖1為本專利亞太赫茲探測器結(jié)構(gòu)一實施例探測結(jié)構(gòu)單元的正視示意圖及溝道放大示意圖；

圖2為圖1所示亞太赫茲波探測器的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖；

圖3為本專利亞太赫茲波探測器室溫下的轉(zhuǎn)移特性曲線I_DS-V_GS；

圖4為本專利亞太赫茲波探測器室溫下柵極調(diào)控的電流響應(yīng)波形圖；

圖5為本專利亞太赫茲探測器在室溫、零偏置及不同柵壓下的亞太赫茲響應(yīng)圖；

圖6為本專利亞太赫茲探測器在室溫、固定柵壓及不同偏置電壓的亞太赫茲響應(yīng)圖；

附圖中:

1～藍寶石，2～引線電極，3～對數(shù)周期天線，4～石墨烯，5～氧化鋁柵介質(zhì)層，6～劈裂柵極。

具體實施方式：

以下結(jié)合附圖及實施例，對本專利的具體實施方式進行詳述，以便技術(shù)方案易于理解、掌握。

參見圖1和圖2，它是一種室溫可調(diào)控的亞太赫茲波探測器結(jié)構(gòu)圖，所述探測器在藍寶石襯底1上集成對數(shù)周期天線3以及引線電極2，且對數(shù)周期天線3兩臂分別與對應(yīng)的引線電極2相連；在對數(shù)周期天線3間距中轉(zhuǎn)移具有高遷移率且載流子濃度可調(diào)的石墨烯導(dǎo)電溝道4，石墨烯導(dǎo)電溝道4與對數(shù)周期天線3兩臂互連，形成良好的歐姆接觸；在石墨烯導(dǎo)電溝道4上有氧化鋁柵介質(zhì)層5；最后，在石墨烯導(dǎo)電溝道的氧化鋁柵介質(zhì)層5上集成劈裂柵極6以及相應(yīng)的引線電極2。采用載流子遷移率高且可調(diào)的石墨烯材料作為導(dǎo)電溝道；集成對數(shù)周期天線和劈裂柵極，實現(xiàn)強的光場耦合和分布，利用石墨烯太赫茲等離子體波整流或熱電效應(yīng)，實現(xiàn)高速、寬頻、響應(yīng)高且可調(diào)控的類光導(dǎo)與類光伏亞太赫茲探測，具體制備和測試流程如下：

步驟1首先將0.5～1mm藍寶石襯底進行表面清洗，并通過切割技術(shù)將襯底和銅片上生長的石墨烯切成1.5cm×1.5cm樣品；

步驟2使用紫外光刻(AZ5214光刻膠)、電子束蒸發(fā)法及剝離工藝制備對數(shù)周期天線和引線電極(Cr/Au)，包括溝道、紫外光刻的對準標記以及電子束光刻對準標記；

步驟3將銅片上生長的石墨烯，通過FeCl₃溶液刻蝕法，刻蝕銅片襯底約24h，然后在體積比約1/10的稀釋鹽酸和去離子水混合溶液中清洗覆蓋PMMA的石墨烯薄膜，清洗完，將覆蓋PMMA的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到具有對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)的藍寶石襯底上，陰干約4h，在丙酮中靜置20～25min去除PMMA，最后，在60～80℃的溫度條件下烘干20～25min；

步驟4利用紫外光刻和氧離子刻蝕法，刻蝕長度約5～10μm石墨烯導(dǎo)電溝道，并在體積比約1/5氫氣和氮氣混合氣體下進行約300℃高溫退火處理，去除石墨烯殘留的光刻膠和水，形成良好的歐姆接觸；

步驟5利用原子層沉積技術(shù)，在整個樣品上300℃高溫沉積厚度30nm～50nm氧化鋁柵介質(zhì)層；

步驟6通過紫外光刻和溶液腐蝕法，將氧化鋁柵介質(zhì)層覆蓋的與天線相連的引線電極暴露出來，以便引線測試；

步驟7利用步驟3中的方法再在樣品上轉(zhuǎn)移一層石墨烯，充當導(dǎo)電層，保證電子束曝光的精準性，避免藍寶石襯底導(dǎo)電差影響電子束嚗光；

步驟8通過電子束嚗光和電子束蒸發(fā)法及剝離工藝制備劈裂柵極及其引線電極；

步驟9通過紫外光刻、電子束蒸發(fā)及剝離工藝制備300～400nm加厚電極；

步驟10最后，采用標準的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，對器件進行封裝和測試。

步驟11用0.020～0.04THz微波振蕩器以及耿氏振蕩器結(jié)合倍頻器產(chǎn)生0.1～0.4THz連續(xù)波輻射，光源經(jīng)過離軸拋面鏡聚焦到探測器上，探測器產(chǎn)生的光電流信號通過前置放大器(SR560)放大信號，分別輸入示波器，鎖相放大器(SR560)，除此之外，還需要斬波器(SR430)斬波頻率的參考信號分別輸入示波器，鎖相放大器，才能保證太赫茲響應(yīng)波形保留和響應(yīng)度記錄。

實施例1

藍寶石襯底的厚度為1mm，當對數(shù)周期天線外半徑1mm、弧度50°，劈裂柵極線寬1μm、線間距500nm，氧化鋁柵介質(zhì)層厚度30nm以及5μm長的導(dǎo)電溝道CVD石墨烯(濃度約10¹³cm^-2，遷移率約1000～5000cm²V^-1s^-1)。如圖3所示，石墨烯場效管的電學(xué)性能良好，柵極調(diào)控實現(xiàn)石墨烯P和N型的摻雜，Dirac點的電壓在1.8～2V附近；從圖3插圖可以看出石墨烯和對數(shù)周期天線形成良好的歐姆接觸，為亞太赫茲波探測奠基了器件的基礎(chǔ)。

實施例2

藍寶石襯底的厚度為1mm，當對數(shù)周期天線外半徑2mm、弧度50°，劈裂柵極線寬2μm、線間距600nm，氧化鋁柵介質(zhì)層厚度50nm以及6μm長的導(dǎo)電溝道CVD石墨烯(濃度約10¹³cm^-2，遷移率約1000～5000cm²V^-1s^-1)，如圖4所示，通過半導(dǎo)體分析儀，在亞太赫茲波0.02～0.4THz照射下，實時觀察光電流的變化。同樣可以看出柵壓調(diào)控實現(xiàn)石墨烯的不同摻雜類型，相比于暗電流，P型摻雜石墨烯的電阻變大、光電流變小，N型摻雜石墨烯的電阻小、電流變大；而且兩種類型摻雜的石墨烯光電流幅值變化趨勢與圖5中表達的趨勢一致。石墨烯摻雜類型從P型到N型轉(zhuǎn)變過程中，光響應(yīng)的幅值增強了120倍以上，在Dirac電壓附近光響應(yīng)幅值明顯趨向于零，總而言之，通過柵極電壓可以調(diào)控亞太赫茲波的探測。

實施例3

藍寶石襯底的厚度為0.5mm，當對數(shù)周期天線外半徑1mm、弧度50°，劈裂柵極線寬2.2μm、線間距600nm，氧化鋁柵介質(zhì)層厚度30nm以及10μm長的導(dǎo)電溝道CVD石墨烯(濃度約10¹³cm^-2，遷移率約1000～5000cm²V^-1s^-1)，在偏置電壓為零與亞太赫茲照射下，器件產(chǎn)生光電流，類似于光伏型器件，信噪比高；隨著偏置電壓增加，類似于光導(dǎo)型器件，光響應(yīng)也隨之增加，跟之前的石墨烯天線兩端探測器的光導(dǎo)型結(jié)果一致。

探測器結(jié)構(gòu)中各種參數(shù)在一定范圍里變化，本專欄中一種室溫可調(diào)控的亞太赫茲波探測器都有很好的性能，測試結(jié)果表明初步實現(xiàn)石墨烯不同摻雜類型下，光電流變化趨勢相反；室溫響應(yīng)幅值調(diào)控增強120倍以上；同時實現(xiàn)器件類光導(dǎo)與類光伏相互轉(zhuǎn)換；利用石墨烯太赫茲等離子體波整流或熱電效應(yīng)，為太赫茲探測器件設(shè)計的提供了方向。