一種室溫可調控的亞太赫茲波探測器及制備方法技術

本發明專利技術公開了一種室溫可調控的亞太赫茲波探測器及制備方法，以具有高遷移率且載流子濃度可調的石墨烯場效應晶體管為基本結構單元，場效應晶體管具有一組亞太赫茲波耦合天線的源漏電極和劈裂柵極。所述探測器在藍寶石襯底上集成對數周期天線以及相應的引線電極；在天線間距中轉移的石墨烯導電溝道；在石墨烯導電溝道上有氧化鋁柵介質層，最后，在石墨烯導電溝道的氧化鋁柵介質層上集成劈裂柵極以及相應的引線電極，實現可調控的亞太赫茲波探測。本發明專利技術的優點在于：高速、寬頻、響應高且可調控的類光導與類光伏探測器；器件的集成度、工藝成熟及可重復性，為實現太赫茲探測器大規模應用奠定基礎。

Room temperature adjustable Asia Pacific Hertz wave detector and preparation method thereof

The present invention discloses the Asia Pacific Hertz wave detector and a preparation method of a room temperature can be controlled, with graphene field effect transistor with high mobility and carrier concentration can be adjusted as the basic structural unit, field effect transistor has a group of Asia Pacific Hertz wave coupled antennas and split gate source and drain electrodes. The detector on the sapphire substrate integrated log periodic antenna and the corresponding electrode; transfer in antenna spacing in graphene conductive channel; on graphene conductive channel on Al2O3 gate dielectric layer, finally, in the Al2O3 gate dielectric layer graphene conductive channel on integrated split gate and corresponding lead the electrode, to achieve the detection of Hertzian waves can control the Asia pacific. The invention has the advantages of high speed, broadband, and optical response class high photovoltaic detectors and adjustable; device integration, mature technology and repeatability, and lay the foundation for the large-scale application of terahertz detector.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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/氧化鋁柵介質層/石墨烯/對數周期天線/藍寶石襯底結構的場效應管對0.02～0.4THz亞太赫茲波，實現高速、寬頻、響應高且可調控的類光導與類光伏探測。
技術介紹
太赫茲波是頻率0.1～10THz(1THz＝1012Hz)范圍內的電磁波，波長范圍為3mm～30μm，位于毫米波(亞毫米波)與紅外波之間。太赫茲光子對應能量范圍為0.414～41.4meV，與分子和材料的低頻振動和轉動能量范圍相匹配。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用，也將為人們對物質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如寬頻性、透視性、安全性等，它在物理、化學、生物醫學等基礎領域，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用前景：(1)太赫茲波在生物醫學上的應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動頻率均在太赫茲波段，而且太赫茲波輻射技術又可提取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，所以在環境監測和保護方面可以發揮重要作用。太赫茲波對很多非金屬和非極性電介質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，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。利用太赫茲技術對它們進行探測和識別，進而分析物質內部結構信息。(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用也有很大的潛力在太赫茲波段的開發和應用中，檢測太赫茲波信號具有舉足輕重的意義。因為，一方面，與較短波長的光學波段電磁波相比，太赫茲波光子能量低，背景噪聲通常占據顯著地位；另一方面，隨著太赫茲技術在各領域特別是軍事領域中的應用的深入開展，不斷提高接收靈敏度成為必然的要求。現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頻率低于1Hz以下)、熱釋電探測器(響應速度慢)。Dyakonov和Shur于1993年闡述了場效應管中等離子體波在溝道中被激發實現太赫茲波探測，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，材料的高遷移率是關鍵因素，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太赫茲波探測。由于石墨烯材料具有獨特的物理結構、特殊的電學特性及光學特性為太赫茲探測研究提供一個好的平臺。
技術實現思路
基于現有技術的問題和理論，本專利技術的目的是提出以具有高遷移率且載流子濃度可調的石墨烯場效應晶體管為基本結構單元，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/對數周期/藍寶石襯底的亞太赫茲波探測器，實現高速、寬頻、響應高且可調控的類光導與類光伏亞太赫茲探測。本專利技術的上述目的，將通過以下技術方案得以實現：所述探測器在藍寶石襯底1上集成對數周期天線3以及引線電極2，且對數周期天線3兩臂分別與對應的引線電極2相連；在對數周期天線3間距中轉移具有高遷移率且載流子濃度可調的石墨烯導電溝道4，石墨烯導電溝道4與對數周期天線3兩臂互連，形成良好的歐姆接觸；在石墨烯導電溝道4上有氧化鋁柵介質層5；最后，在石墨烯導電溝道的氧化鋁柵介質層5上集成劈裂柵極6以及相應的引線電極2，實現可調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。本專利技術的上述目的，是通過以下技術方案制作完成的。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、電子束蒸發法及剝離工藝制備對數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的石墨烯薄膜轉移到具有天線結構的藍寶石襯底上，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，在整個樣品上300℃高溫沉積氧化鋁柵介質層；6)通過紫外光刻和溶液腐蝕法，將氧化鋁柵介質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移一層石墨烯，充當導電層，保證電子束曝光的精準性，避免藍寶石襯底導電性差影響電子束嚗光；8)通過電子束嚗光和電子束蒸發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、電子束蒸發及剝離工藝制備300～400nm加厚電極；10)最后，采用標準的半導體封裝技術，對器件進行封裝與測試。實現本專利技術的技術方案，其創新優點體現在：1、采用載流子遷移率高且可調的石墨烯材料作為導電溝道，利用石墨烯太赫茲等離子體波整流或熱電效應，實現高速、可調控的太赫茲探測。2、集成對數周期天線和劈裂柵極，實現強的光場耦合和分布，提高器件的集成度和小型化，實現類光導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、工藝成熟及可重復性為實現太赫茲波探測器的陣列化和大規模應用奠定基礎附圖說明圖1為本專利技術亞太赫茲探測器結構一實施例探測結構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構側視示意圖；圖3為本專利技術亞太赫茲波探測器室溫下的轉移特性曲線IDS-VGS；圖4為本專利技術亞太赫茲波探測器室溫下柵極調控的電流響應波形圖；圖5為本專利技術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圖；圖6為本專利技術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圖；附圖中:1～藍寶石，2～引線電極，3～對數周期天線，4～石墨烯，5～氧化鋁柵介質層，6～劈裂柵極。具本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種室溫可調控的亞太赫茲波探測器，其特征在于：所述亞太赫茲波探測器在藍寶石襯底(1)上集成對數周期天線(3)以及引線電極(2)，對數周期天線(3)的兩臂分別與對應的引線電極(2)相連；在對數周期天線(3)的兩臂中間有高遷移率且載流子濃度可調的石墨烯導電溝道(4)，石墨烯導電溝道(4)與對數周期天線(3)兩臂互連，形成良好的歐姆接觸；在石墨烯導電溝道(4)上有氧化鋁柵介質層(5)；在石墨烯導電溝道的氧化鋁柵介質層(5)上集成劈裂柵極(6)以及相應的引線電極(2)；所述的藍寶石襯底(1)的厚度0.5～1mm；所述的對數周期天線(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層(5)厚度為30～50nm；所述的劈裂柵極(6)為金膜，其線寬1～2.2μm，線間距500～600nm，厚度20～60nm。

【技術特征摘要】
1.一種室溫可調控的亞太赫茲波探測器，其特征在于：所述亞太赫茲波探測器在藍寶石襯底(1)上集成對數周期天線(3)以及引線電極(2)，對數周期天線(3)的兩臂分別與對應的引線電極(2)相連；在對數周期天線(3)的兩臂中間有高遷移率且載流子濃度可調的石墨烯導電溝道(4)，石墨烯導電溝道(4)與對數周期天線(3)兩臂互連，形成良好的歐姆接觸；在石墨烯導電溝道(4)上有氧化鋁柵介質層(5)；在石墨烯導電溝道的氧化鋁柵介質層(5)上集成劈裂柵極(6)以及相應的引線電極(2)；所述的藍寶石襯底(1)的厚度0.5～1mm；所述的對數周期天線(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層(5)厚度為30～50nm；所述的劈裂柵極(6)為金膜，其線寬1～2.2μm，線間距500～600nm，厚度20～60nm。2.一種制備如權利要求1所述一種室溫可調控的0.02THz～0.4THz亞太赫茲波探測器制備的方法，其特征在于包括以下步驟：1)首先將藍寶石襯底進行表面清洗，并通過切割技術將襯底和銅片上生長的石墨烯切成尺寸為1.5cm×1....

【專利技術屬性】
技術研發人員：王林，劉昌龍，唐偉偉，郭萬龍，陳效雙，陸衛，
申請(專利權)人：中國科學院上海技術物理研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31