一種石墨烯室溫太赫茲波探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲波探測(cè)器，特別涉及一種在室溫條件下石墨烯/對(duì)數(shù)周期天線/藍(lán)寶石襯底結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波實(shí)現(xiàn)高速、高靈敏度、高信噪比的探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波(Terahertz，Hz)福射是指頻率在0.1?1THz(波長(zhǎng)3mm?30um)之間的電磁波，位于遠(yuǎn)紅外和微波相互交叉的波段，長(zhǎng)期以來缺乏相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)生和探測(cè)，從而形成THz空白(terahertz gap)。
[0003]太赫茲光子特點(diǎn)與應(yīng)用:(a)光子能量??；生物大分子和DNA分子的旋轉(zhuǎn)及振動(dòng)能級(jí)多處于太赫茲波段，太赫茲輻射可用于疾病診斷、生物體的探測(cè)及癌細(xì)胞的表皮成像。(b)對(duì)許多介質(zhì)材料具有高透射性;可以對(duì)物體進(jìn)行無損探傷，比如對(duì)重要航天器材料內(nèi)部所掩埋的缺陷探測(cè)可以排除安全隱患。(C)太赫茲波在太空環(huán)境中被吸收得較少，傳播距離遠(yuǎn)，可以用于對(duì)星際形成過程和介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)分析。
[0004]實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)應(yīng)用與突破，其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是太赫茲波探測(cè)，需要發(fā)展具備可控半導(dǎo)體材料-入射光場(chǎng)相互作用以及太赫茲波光電響應(yīng)能力的探測(cè)器件。但是，傳統(tǒng)地室溫下依靠量子阱子帶間躍迀的方法很難實(shí)現(xiàn)輻射探測(cè)目的，因?yàn)楣庾拥哪芰恳葻崮芰啃『芏?，很容易達(dá)到熱飽。目前，應(yīng)用較多的商用太赫茲波探測(cè)器包括輻射熱機(jī)(需要制冷)、肖特基二極管(低于IHz以下)、熱釋電探測(cè)器(響應(yīng)速度慢)等缺點(diǎn)，因此，需要探索新的物理原理和利用新的半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)太赫茲波探測(cè)。由于低維碳材料具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，特殊的電學(xué)特性，為新型光電功能轉(zhuǎn)換特性的研究提供了良好的平臺(tái)，其中最具典型的是石墨稀。
[0005]Dyakonov和Shur闡述了場(chǎng)效應(yīng)管中等離子體波在溝道中被激發(fā)實(shí)現(xiàn)太赫茲波探測(cè)，在太赫茲輻射激發(fā)下，器件的溝道會(huì)有一個(gè)直流壓降產(chǎn)生光響應(yīng)；同時(shí)，非線性效應(yīng)使得器件對(duì)入射太赫茲波進(jìn)行有效的頻率倍增產(chǎn)生高階諧波，該太赫茲輻射探測(cè)理論得到多方面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和理論的支撐，本專利的目的是提出以載流子濃度可調(diào)和高迀移率的石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)，集成對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和引線電極，一種石墨烯/對(duì)數(shù)周期天線/藍(lán)寶石襯底太赫茲波探測(cè)器件，最終在室溫條件下實(shí)現(xiàn)寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的THz探測(cè)。
[0007]本專利的上述目的，將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn):
[0008]探測(cè)器件在藍(lán)寶石襯底4上蒸鍍對(duì)數(shù)周期天線2結(jié)構(gòu)以及引線電極3，太赫茲波耦合對(duì)數(shù)周期天線2兩邊分別與對(duì)應(yīng)的引線電極3相連，在對(duì)數(shù)周期天線2間距中轉(zhuǎn)移具有載流子濃度111?1014cm—2可調(diào)和高迀移率1000?10000cm2V—1的石墨稀I導(dǎo)電溝道，保證石墨烯I與兩邊對(duì)數(shù)周期天線2互連；
[0009]所述的藍(lán)寶石襯底4的厚度為0.5?lmm;
[00?0] 所述的對(duì)數(shù)周期天線2的尺寸為:外半徑I?2mm，厚度100?200nm;
[0011 ]所述的引線電極3的厚度為200?400nm;
[0012]所述的導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度為6?80um。
[0013]本專利的上述目的，是通過以下技術(shù)方案制作完成的。
[0014]I)首先將藍(lán)寶石襯底進(jìn)行表面清洗，并通過切割技術(shù)將襯底和銅片上生長(zhǎng)的石墨稀切成小樣品；
[0015]2)使用紫外光刻、電子束蒸發(fā)法及l(fā)ift-off剝離工藝制備對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和引線電極，包括溝道、紫外光刻的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以及電子束光刻對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；
[0016]3)將銅片上生長(zhǎng)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I /10的稀釋鹽酸和去離子水混合溶液中清洗覆蓋PMMA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(lán)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°C的溫度條件下烘干20?25min;
[0017]4)利用紫外光刻和O2離子刻蝕法，刻蝕長(zhǎng)度約6?SOum石墨烯導(dǎo)電溝道，并在體積比約1/5氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w下進(jìn)行約300°C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；
[0018]5)通過紫外光刻、電子束蒸發(fā)和剝離工藝制備300?400nm加厚電極；
[0019]6)最后，采用正規(guī)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，對(duì)器件進(jìn)行封裝。
[0020]實(shí)現(xiàn)本專利的技術(shù)方案，其創(chuàng)新優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:
[0021]1、使用藍(lán)寶石(Al2O3)作為襯底，大大地減少高摻雜的硅表面覆蓋二氧化硅襯底對(duì)太赫茲的反射，提高了石墨烯材料吸收率，提高器件的太赫茲響應(yīng)，更便于透射譜和反射譜的測(cè)試。
[0022]2、采用載流子濃度可調(diào)和高迀移率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或電子氣震蕩的非線性光電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)寬頻、高速、高靈敏度、高信噪的THz探測(cè)。
[0023]3、集成了對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和引線電極歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的光場(chǎng)耦合能力，提高器件的集成度和小型化，為實(shí)現(xiàn)太赫茲探測(cè)器大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本專利太赫茲探測(cè)器件結(jié)構(gòu)一實(shí)施例探測(cè)結(jié)構(gòu)單元的正視示意圖及局部放大示意圖；
[0025]圖2為圖1所示太赫茲探測(cè)器件的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖；
[0026]圖3為本專利太赫茲探測(cè)器件測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；
[0027]圖4為本專利太赫茲探測(cè)器在室溫下斬波頻率IkHz太赫茲響應(yīng)波形圖；
[0028]圖5為本專利太赫茲探測(cè)器在室溫下斬波頻率5kHz太赫茲響應(yīng)波形圖；
[0029]圖6為本專利太赫茲探測(cè)器在室溫下斬波頻率1kHz太赫茲響應(yīng)波形圖；
[0030]圖7為本專利太赫茲探測(cè)器在室溫下不同偏置電流的太赫茲響應(yīng)圖；
[0031 ]圖8為本專利太赫茲探測(cè)器在室溫下不同距源距離的太赫茲響應(yīng)圖；
[0032]圖9為專利太赫茲探測(cè)器在室溫下不同偏振角度的太赫茲響應(yīng)圖。
[0033]I?石墨烯，2?對(duì)數(shù)周期天線，3?引線電極，4?藍(lán)寶石襯底。
【具體實(shí)施方式】
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[0034]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本專利的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳述，以便發(fā)明技術(shù)方案易于理解、掌握。
[0035]參見圖1和圖2，它是一種石墨烯太赫茲波探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖，所述探測(cè)器件包括藍(lán)寶石襯底4(厚