CN103325796A - 天线集成石墨烯pin结太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，属于半导体器件领域。本发明包括衬底、设于衬底上的平面天线和石墨烯PIN结，所述平面天线与石墨烯PIN结之间设有空隙；在所述石墨烯PIN结的P区和N区设有第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极。与现有的太赫兹探测器，本发明制成的探测器的探测范围可以覆盖整个太赫兹频段，且响应速度快，约为皮秒量级，同时，本发明探测器成本低廉，制作工艺简单，因此，大大提高了太赫兹探测器的性能；同时，此探测器还可在室温工作正行工作，克服了现有探测器需要低温工作的缺陷，提高了其适应性；由于探测器集成了平面天线，还提高了对弱太赫兹信号的探测能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域。
背景技术
太赫兹（THz）波是指频率在 0.1-10THz范围内的电磁波，其中 1THz=1000GHz。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，THz技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。
太赫兹技术主要有太赫兹探测以及太赫兹源技术。由于太赫兹频率太高，普通材料对太赫兹波缺乏有效响应，导致太赫兹波的探测较为困难。目前，国内外开展了很多研究来探测太赫兹波，应用较为广泛的主要有以下几种探测手段：一是通过混频器将太赫兹波的频率降至易于测量的中频频率，目前有基于太赫兹肖特基二极管以及基于绝缘超导结和热电辐射计的混频器，基于肖特基二极管的混频器需要复杂的半导体工艺来制作，其探测带宽有限，一般为几十GHz；基于绝缘超导结和热电辐射计的太赫兹探测器，需要低温工作，室温下不能工作。二是通过光学手段，基于光学晶体的电光效应，实现对太赫兹波的探测，这种探测一般应用于泵浦-探测同步系统，需要飞秒激光实现，设备比较昂贵。三是基于半导体材料的等离子体激元探测器，例如基于GaN材料的探测器，该类探测器类似于光伏效应，可以实现对太赫兹波的探测，由于目前该类探测器等效噪声功率偏高，还不能实现对太赫兹波的被动探测。四是基于测热辐射计，一般需要将探测系统降至低温，约几K的温度，需要冷却装置实现对太赫兹波的测量。
2004年英国曼切斯特大学A.Geim研究组用剥离方法首先发现石墨烯（graphene）。它是继零维富勒烯、一维碳纳米管之后所发现的另一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单晶功能材料。虽然石墨烯的发现不过几年，但它所具有的特殊空间结构、显著的量子尺寸效应引起了人们的强烈关注。由于石墨烯独特的零带隙能带结构、室温下电子的超高迁移率、近弹道输运的电子性质、低于铜和银的电阻率、高导热性等特点，从晶体管、化学传感器到纳米机电器件、复合材料等领域有着很大的应用潜力。由于其独特的光吸收特性，石墨烯在光电器件上的应用逐渐被人们发觉，并被认为是最具潜力的应用方向之一。
由于石墨烯具有零带隙的特点，其可以吸收光子能量为几个毫电子伏特的太赫兹波。太赫兹波在照射到石墨烯界面时，电子将吸收太赫兹波的能量，实现跃迁，产生光生载流子。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，该探测器的探测范围可以覆盖整个太赫兹频段，并且可提高对弱太赫兹信号的探测能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，包括衬底、设于衬底上的平面天线和石墨烯PIN结，所述平面天线与石墨烯PIN结之间设有空隙；在所述石墨烯PIN结的P区和N区设有第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极。
所述平面天线分为两部分设于石墨烯PIN结的两侧。
所述衬底为SiC或Si。
所述第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极采用金属材料制成。
所述平面天线为蝶形天线或对数周期天线。
采用上述技术方案取得的技术进步为：
与现有的太赫兹探测器几十GHz的探测范围相比，本发明制成的探测器的探测范围可以覆盖整个太赫兹频段，且响应速度快，约为皮秒量级，同时，本发明探测器成本低廉，制作工艺简单，因此，大大提高了太赫兹探测器的性能；同时，此探测器还可在室温工作正行工作，克服了现有探测器需要低温工作的缺陷，提高了其适应性；由于探测器集成了平面天线，还提高了对弱太赫兹信号的探测能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1、第一欧姆接触电极，2、P区，3、平面天线，4、衬底，5、本征区，6、第二欧姆接触电极，7、N区。
具体实施方式
由图1所示可知，天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，包括衬底4、设于衬底4上的平面天线3和石墨烯PIN结以及设于石墨烯PIN结上的欧姆接触电极；所述石墨烯PIN结位于衬底4的中间位置，所述平面天线3分为两部分设于石墨烯PIN结的两侧，且平面天线3与石墨烯PIN结之间设有空隙；所述欧姆接触电极包括第一欧姆接触电极1和第二欧姆接触电极6，所述第一欧姆接触电极1和第二欧姆接触电极6分别位于石墨PIN结P区2和N区7上；所述衬底4为SiC或Si等半导体材料，所述欧姆接触层采用金属金材料如金、铜等制成，所述平面天线3为蝶型天线。
本发明的工作原理为：
工作时，第一欧姆接触电极1接电源的负极，第二欧姆接触电极6接电源的正极，这样在石墨烯的本征区5中形成了由第二欧姆接触电极6指向第一欧姆接触电极1的电场，电子被聚集到N区7，空穴被聚集到P区2。
当太赫兹波照射在石墨烯的本征区5时，本征石墨烯吸收入射的太赫兹波，产生光生载流子—光生电子和光生空穴，光生载流子在外加电场的作用下，光生电子加速运动到 N区7，光生空穴加速运动到P区2，这样就在本征区5有了光电流。通过测试光电流的大小，可以得到入射的太赫兹波的功率。
实际应用中，需要探测器进行响应度的标定。通过已知入射太赫兹波的功率，测试得到本征区5中的光电流，换算得到探测器的响应度。
本发明中，平面天线3和石墨烯PIN结在衬底4上的位置可以自行设置。第一欧姆接触电极1和第二欧姆接触电极6的与P区2和N区7位置也不固定，可以随机组合，只要保证P区2和N区7各设有欧姆接触电极即可。平面天线3的类型也很多，除蝶形天线之外还可以为对数周期天线等，可以根据探测器的性能要求选择合适的类型。
与现有的太赫兹探测器几十GHz的探测范围相比，本发明制成的探测器的探测范围可以覆盖整个太赫兹频段，且响应速度快，约为皮秒量级，同时，本发明探测器的噪声功率低、成本低廉，制作工艺简单，因此，大大提高了太赫兹探测器的性能；同时，此探测器还可在室温工作正行工作，克服了现有探测器需要低温工作的缺陷，提高了其适应性；由于探测器集成了平面天线3，还提高了对弱太赫兹信号的探测能力。
Claims (5)
1.一种天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，其特征在于包括衬底（4）、设于衬底（4）上的平面天线（3）和石墨烯PIN结，所述平面天线（3）与石墨烯PIN结之间设有空隙；在所述石墨烯PIN结的P区（2）和N区（7）设有第一欧姆接触电极（1）和第二欧姆接触电极（6）。
2.根据权利要求1所述的天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，其特征在于所述平面天线（3）分为两部分设于石墨烯PIN结的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，其特征在于所述衬底（4）为SiC或Si。
4.根据权利要求1或2所述的天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，其特征在于所述第一欧姆接触电极（1）和第二欧姆接触电极（6）采用金属材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的天线集成石墨烯PIN结太赫兹探测器，其特征在于所述平面天线（3）为蝶形天线或对数周期天线。
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Publications (1)
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