CN104678597A - 一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法，用以提高石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的调制速率、调制深度。石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于衬底背面的环形栅电极；其特征在于所述介质层为Al2O3层，其厚度为5～100nm；其制备方法采用原子层沉积(ALD)法沉积Al2O3，Al2O3均匀性好、无缺陷、无针孔，更耐电压，且极大降低漏电流。制备得太赫兹波调制器的调制速度达到178KHz，相对调制深度大于22％，显著提高调制速率及相对调制深度；可广泛应用于太赫兹波通信系统、太赫兹波探测、太赫兹波成像等领域。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波应用技术领域，设计太赫兹波调制器及其制备方法，具体为一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法。
背景技术
太赫兹波(THz)通常是指频率在0.1THz-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁辐射，处于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。太赫兹波是下一代通信技术关注的重点，是生物医学研究和生化武器探测的理想工具，在无损检测、安全检查以及雷达成像等方面也有非常重要的应用。石墨烯作为一种碳的同素异形体的二维单原子层的薄膜材料，自2004年被发现以来，以其独特的结构、非比寻常的电学性能、光学性能、良好的机械性能及热稳定性广泛应用于场效应晶体管太赫兹波调制器。早期研究报道石墨烯电学输运特性，发现其载流子浓度为2×1011cm-2，迁移率超过200,000cm2/Vs，研究表明石墨烯表面的杂质吸附或石墨烯和衬底之间的杂质对载流子有散射的作用，会降低载流子迁移率。
近年来，传统石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器采用厚度为300nm或98nm的SiO2作为介质层，但由于热蒸发生长工艺易造成SiO2表面不平整，多缺陷，多针孔，导致晶体管漏电流大，耐击穿电压比较小，且太赫兹波调制器调制速率、调制深度都有待提高。如文献《Broadband graphene terahertz modulators enabled by intraband transitions》(Nature Communications 3,780(2012)，B.Sensale-Rodriguez,R.Yan,M.M.Kelly,T.Fang,K.Tahy,W.S.Hwang,D.Jena,L.Liu and H.G.Xing)中公开的石墨烯宽带太赫兹调节器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于半导体衬底背面的栅电极；其中介质层采用98nm厚的SiO2层，其相对调制深度仅为15％，调制速率为18KHz。因此，为适应石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制在太赫兹波通信、太赫兹波探测、太赫兹波成像领域的广泛应用，本发明对石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制做进一步优化设计。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器及其制备方法，用以提高石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的调制速率、调制深度。本发明采用原子层沉积(ALD)法沉积Al2O3代替SiO2作为介质层，ALD沉积的Al2O3均匀性好、无缺陷、无针孔，更耐电压，且极大降低漏电流。
本发明的技术方案为：一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于衬底背面的环形栅电极；其特征在于所述介质层为Al2O3层，其厚度为5～100nm。
优选的，所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的尺寸为2x2μm～15x15mm。
所述半导体衬底为掺杂半导体硅片、Ge基片或SiC，其电阻率为1～100Ω/cm2、厚度为50～500um。
所述石墨烯薄膜采用CVD法制备，其电阻率为100～3000Ω/cm2。
所述源漏电极、栅电极为金属银、金、铜或镍。
进一步的，所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.清洗半导体衬底：将半导体衬底依次进行超声波清洗、去离子水冲洗后烘干备用；
步骤2.沉积介质层：采用原子层沉积法(ALD)在衬底正面沉积Al2O3介质层，将半导体衬底放入原子沉积装置沉积腔中，加热沉积腔至80～120℃，通入氧气与氩气，控制氧气流量为2～20sccm、氩气流量10～20sccm，并保持腔体气压为50～100毫托，打开射频源开关，设置射频功率为180W，通入三甲基铝(TMA)，沉积得厚度为5～100nm的Al2O3介质层；
步骤3.转移石墨烯薄膜：首先在生长有石墨烯薄膜的金属基体上旋涂一层PMMA，然后将金属基体放入FeCl3或Fe(NO3)3溶液中将基体腐蚀干净，再将载有石墨烯薄膜的PMMA用去离子水清洗后转移至Al2O3介质层上，最后采用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即成石墨烯薄膜的转移；
步骤4.制备电极：在石墨烯薄膜上制备一对金属电极，分别作为源电极和漏电极；再在半导体衬底背面制备一环形金属电极，作为栅电极；
即制备得石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器。
优选的，所述步骤1清洗半导体衬底具体为：首先将半导体衬底放入盛有丙酮的烧杯中进行超声波清洗10分钟，然后将半导体衬底放入盛有酒精的烧杯中超声波清洗10分钟，最后用去离子水冲洗，清洗后的衬底放入烘箱中于120℃下干燥2小时备用。
所述石墨烯薄膜采用CVD法制备，其电阻率为100～3000Ω/cm2。
所述源漏电极、栅电极为金属银、金、铜或镍，采用常规磁控溅射法制备。
本发明提供一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，采用Al2O3代替SiO2作为介质层材料，Al2O3作为介质层能够在更小的厚度达到抗击穿电压要求，减小了介质层厚度；并且Al2O3介质层厚度越小对太赫兹波响应速率越快，背栅电压调制载流子越明显，太赫兹波功率利用率越高；同时Al2O3作为介质层更耐电压，且极大降低漏电流。另外，本发明提供的制备方法中用ALD沉积的Al2O3均匀性好、无缺陷、无针孔。
本发明的提供的石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的调制速度能够达到178KHz，相对调制深度大于22％，显著提高太赫兹波调制器的调制速率及相对调制深度；而且Al2O3介质层比传统SiO2介质层更耐电压，而且极大降低漏电流；可广泛应用于太赫兹波通信系统、太赫兹波探测、太赫兹波成像等领域。
附图说明
图1是本发明石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器结构三维示意图，其中(a)为半导体衬底、(b)为介质层、(c)为石墨烯薄膜、(d)、(e)为源漏电极。
图2是本发明石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器结构背面示意图，其中(f)为栅电极。
图3是本发明的具体实施方式中沉积得Al2O3介质层测试图，其中，(a)为氧化铝薄膜的x射线衍射谱，(b)为Al2O3薄膜沉积于衬底的SEM截面图。
图4是本发明的具体实施方式所采用的单层石墨烯的Raman光谱。
图5是本发明的具体实施方式所采用的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制时域谱。
图6是本发明的具体实施方式所采用的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制时域谱。
图7是本发明的具体实施方式所采用的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制检测到的330GHz太赫兹光束通过调制器得到的调制信号的载波频率。
图8是本发明的具体实施方式所采用的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制数据拟合曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明，需要说明的是本发明并不局限于该实施例。
石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器制备，包括以下步骤：
步骤1.清洗半导体衬底(a)：首先将Si基片放入盛有丙酮的烧杯中进行超声波清洗10分钟，然后将Si基片放入盛有酒精的烧杯中超声波清洗10分钟，最后用去离子水冲洗，清洗后的Si基片放入烘箱中于120℃下干燥2小时备用；
步骤2.沉积介质层：采用原子层沉积法(ALD)在Si基片正面沉积Al2O3介质层，以三甲基铝(TMA)为铝源，以氧气为反应气体、氩气为介质气体，将半导体衬底放入原子沉积装置沉积腔中，加热沉积腔至120℃，通入氧气与氩气，控制氧气流量为3sccm、氩气流量15sccm，同时采用分子泵抽真空，保持腔体气压为50毫托，打开射频源开关，设置射频功率为180W，通入三甲基铝(TMA)，沉积得厚度为60nm的Al2O3介质层(b)；
步骤3.转移石墨烯薄膜(c)：首先在预先制备好的生长有石墨烯薄膜的金属基体上旋涂一层PMMA，然后将金属基体放入FeCl3或Fe(NO3)3溶液中将基体腐蚀干净，再将载有石墨烯薄膜的PMMA用去离子水清洗后转移至Al2O3介质层(b)上，最后采用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即成石墨烯薄膜的转移；
步骤4.制备电极：在石墨烯薄膜上制备一对银电极，分别作为源电极(d)和漏电极(e)；再在半导体衬底背面制备一环形银电极，作为栅电极(f)；
即制备得石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于衬底背面的环形栅电极；其特征在于所述介质层为Al2O3层，其厚度为60nm。
相关测试结果如下：
图3(a)是本发明的具体实施方式所采用的Al2O3薄膜沉积在衬底的SEM截面图Al2O3薄膜厚度约为60nm和图3(b)是Si(111)衬底上的x射线衍射谱。
图4给出了本发明的具体实施方式所采用的石墨烯进行的Raman光谱分析，分别在1580cm-1和2670cm-1附近出现的G峰和2D峰，2D/G＝1.7小于2说明该石墨烯薄膜为单层石墨烯。
石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器测试结果如下：
首先测试本发明的具体实施方式所制备的石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制效率随器件栅电压的变化规律。测试设备采用透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，太赫兹波由飞秒激光泵浦光电导天线产生，以90°角入射到样品表面，透射波光电导天线所接收。由于THz-TDS系统的太赫兹功率只有几微瓦，半导体Si对太赫兹波损耗很大，因此减去衬底Si对太赫兹波的损耗和载流子的影响，即可以的出石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度和调制速率。石墨烯背栅场效应晶体管调制器用THz-TDS测试，测试条件为源电极接地，漏电极恒定电压(1～30V)，背栅电极接交流或者直流电压(-80～80V)。
图5给出了本发明的具体实施方式所制备的石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制时域谱，在常温下器件在宽频范围内透射幅度有明显的变化，随着栅极电压变化透射率体现出不同的变化趋向。
图6给出了本发明的具体实施方式所制备的石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制透射谱，结果显示石墨烯晶体管太赫兹调制器在0.4-1.5THz频段实现对太赫兹波信号最大调制深度为22％。
图7给出了本发明的具体实施方式所制备的石墨烯晶体管太赫兹调制器检测到的330GHz太赫兹光束通过调制器得到的调制信号的载波频率，结果显示矩形波每周期0.2ms，数据显示上升时间6us，计算得出理论预测调制速率116KHz。
图8给出了本发明的具体实施方式所制备的石墨烯晶体管太赫兹调制器测试数据拟合曲线显示3dB调制速率为178KHz。
Claims (9)
1.一种石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，包括半导体衬底、衬底上依次设置的介质层、石墨烯薄膜、源漏电极以及设置于衬底背面的环形栅电极；其特征在于所述介质层为Al2O3层，其厚度为5～100nm。
2.按权利要求1所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的尺寸为2x2μm～15x15mm。
3.按权利要求1所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，其特征在于，所述半导体衬底为掺杂半导体硅片、Ge基片或SiC，其电阻率为1～100Ω/cm2、厚度为50～500um。
4.按权利要求1所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜采用CVD法制备，其电阻率为100～3000Ω/cm2。
5.按权利要求1所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器，其特征在于，所述源漏电极、栅电极为金属银、金、铜或镍。
6.按权利要求1所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.清洗半导体衬底：将半导体衬底依次进行超声波清洗、去离子水冲洗后烘干备用；
步骤2.沉积介质层：采用原子层沉积法在衬底正面沉积Al2O3介质层，将半导体衬底放入原子沉积装置沉积腔中，加热沉积腔至80～120℃，通入氧气与氩气，控制氧气流量为2～20sccm、氩气流量10～20sccm，并保持腔体气压为50～100毫托，打开射频源开关，设置射频功率为180W，通入三甲基铝，沉积得厚度为5～100nm的Al2O3介质层；
步骤3.转移石墨烯薄膜：首先在生长有石墨烯薄膜的金属基体上旋涂一层PMMA，然后将金属基体放入FeCl3或Fe(NO3)3溶液中将基体腐蚀干净，再将载有石墨烯薄膜的PMMA用去离子水清洗后转移至Al2O3介质层上，最后采用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即成石墨烯薄膜的转移；
步骤4.制备电极：在石墨烯薄膜上制备一对金属电极，分别作为源电极和漏电极；再在半导体衬底背面制备一环形金属电极，作为栅电极；
即制备得石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器。
7.按权利要求6所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤1清洗半导体衬底具体为：首先将半导体衬底放入盛有丙酮的烧杯中进行超声波清洗10分钟，然后将半导体衬底放入盛有酒精的烧杯中超声波清洗10分钟，最后用去离子水冲洗，清洗后的衬底放入烘箱中于120℃下干燥2小时备用。
8.按权利要求6所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜采用CVD法制备，其电阻率为100～3000Ω/cm2。
9.按权利要求6所述石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器的制备方法，其特征在于，所述源漏电极、栅电极为金属银、金、铜或镍，采用常规磁控溅射法制备。
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