CN104795410B - 基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹传感器，更具体的说，本发明涉及一种基于光波导的石墨烯太赫兹传感器:包括底栅极和低阻硅衬底以及设置于衬底上的下绝缘层、石墨烯纳米带阵列、源漏电极、上绝缘层、顶栅极、光波导结构、入射耦合光栅、出射耦合光栅和驱动电路；利用石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输、能隙可调的光电特性，采用石墨烯纳米带和p‑i‑n光电探测结构；利用光波导收集、传输、汇聚光的特性，设计了大面积光波导和石墨烯纳米带阵列的复合结构。本发明太赫兹传感器具有光能利用率高、灵敏度高、响应快、可在室温下工作、结构简单、便于集成、体积小的优点，可广泛应用于安检、缉毒、反恐、医学成像、无损检测、电子对抗、雷达、遥感、外层空间宽带通信等领域。

Description

基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹传感器，更具体的说，本发明涉及一种基于光波导的石墨烯太赫兹传感器。

技术背景

相对于微波和光波，太赫兹波具有光子能量低，时间和空间相干性高、穿透性强等特点。近年来，反恐防恐、安检、缉毒以及现场无损检测等领域对便携式太赫兹成像/光谱系统需求日益迫切。太赫兹系统和装备的微小型化对其核心元器件THz源及THz探测器提出了微型化、室温工作等要求。

目前常用的THz探测技术可分为相干探测技术与直接探测技术。相对于昂贵复杂的相干探测技术，直接探测技术是将被测信号直接转换为电信号，无需本地振荡器，系统更加简单，有利于器件的集成与微型化。按其原理大致可分为三类：热原理THz探测器可实现宽带探测，但需在低温环境下才能实现较高的响应速度和灵敏度，实现低温环境需要的附属装置大，探测器组件难以微小型化；等离子体场效应管THz探测器响应速度快、灵敏度高，但需引入天线耦合太赫兹信号、只适用于低频段THz，在太赫兹光谱系统中应用受限；光子型THz探测器可实现高频THz波的探测，具有响应速度快、灵敏度高、结构简单等优点，日益受到重视，尤其是基于量子阱和基于石墨烯的THz探测器发展迅猛。

现有基于量子阱的THz探测器仍然存在一些问题，如量子阱子带间跃迁量子效率低，载流子的热噪声对器件的探测率影响很大，因此需要在低温下工作。而石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输以及能隙可调的光电特性，为高性能新型直接THz探测器研制开辟新的技术途径。但现有工艺在制作大面积性能稳定的石墨烯材料上还有诸多问题，导致石墨烯THz探测器有效光敏面很小，对信号的光能利用率较小，限制了其向实用化发展。

能否解决现有微型石墨烯THz探测器的不足，满足在太赫兹光波段的高光能利用率、高灵敏、高速、室温探测目的，是本发明的初衷。

发明内容

本发明利用光波导收集、传输、汇聚光和石墨烯纳米带材料高载流子迁移率、电子无散射传输、能隙可调的优良特性，提出基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器。通过大面积布置的光波导收集光信号，传输并汇聚到形成p-i-n形式的小面积石墨烯纳米带阵列上，从而达到太赫兹波的高光能利用率、高灵敏、高速、室温、宽带探测目的，该技术可以克服现有微型石墨烯THz探测器在光能利用率较低的不足，可满足太赫兹系统和装备的微小型化对THz探测器提出的微型化、室温工作等要求。

本发明的技术方案如下：

基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：包括底栅极和低阻硅衬底以及设置于衬底上的下绝缘层、石墨烯纳米带阵列、源漏电极、上绝缘层、顶栅极、光波导结构、入射耦合光栅、出射耦合光栅和驱动电路；所述石墨烯纳米带阵列由多个纳米带间隔排列组成，联通两端的源漏电极，所述顶栅极分为分别靠近源电极和漏电极的两条，所述光波导结构上部的入射耦合光栅布置在电极周围，光波导结构下部的出射耦合光栅布置于石墨烯纳米带阵列之上,所述驱动电路按照事先计算好的电压施加在源漏电极、顶栅极、底栅极上，通过测量源漏间电流变化探测信号。这样，通过在光敏面较小的石墨烯纳米带阵列周围大面积布置光波导结构，大量的THz信号光通过入射耦合光栅收集、传输到石墨烯纳米带阵列上方，并通过出射耦合光栅汇聚到石墨烯纳米带阵列上，达到提高器件整体光能利用率的目的。

其中，所述石墨烯纳米带阵列中纳米带长度小于石墨烯中载流子复合时间内的传输距离，以提高光电转化效率，减少载流子输运中的损耗。

所述驱动电路在靠近源电极的顶栅极和底栅极之间加负压，在靠近漏电极的顶栅极和底栅极之间加正压，电压大小满足石墨烯电掺杂的浓度要求，以在石墨烯纳米带p-i-n探测器的相应区域内形成p区和n区。

所述驱动电路按照事先计算好的反向偏压施加源漏电极上，以展宽石墨烯纳米带p-i-n探测器的空间电荷区，提高吸收率。

在本发明实施例中，顶栅所用导电材料在THz波段是透明的。这样可以让更多的THz光信号被石墨烯纳米带接收。

进一步，石墨烯纳米带可以是单层或多层的。多层纳米带可以提高吸收率。

另外，光波导结构上部入射耦合光栅的参数、光波导结构下部出射耦合光栅的参数与石墨烯纳米带的宽度都按特定波长的太赫兹光波最佳吸收效率设计，以提高光能利用率，减少光电转换过程中的损耗。

本发明具有如下优点：

1.本发明利用石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输、能隙可调的光电特性，提出的新型THz探测器采用石墨烯纳米带和p-i-n光电探测结构，具有灵敏度高、响应快、可在室温下工作的优点。

2.本发明利用光波导收集、传输、汇聚光的特性，设计了大面积光波导和石墨烯纳米带阵列的复合结构，具有光能利用率高的优点。

3.本发明探测器整体结构简单、便于集成、体积小。

本发明可广泛应用于安检、缉毒、反恐、医学成像、无损检测、电子对抗、雷达、遥感、外层空间宽带通信等领域。

附图说明

图1单层石墨烯纳米结构和调节带隙原理图。

图2为带光栅耦合器的光波导结构和原理图。

图3为基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为单层石墨烯纳米结构和调节带隙原理图。石墨烯材料作为半导体光电材料应用存在最大的问题是石墨烯的零能隙特征，因此石墨烯能隙的调控成为石墨烯光电器件应用的首要问题。侧向限制、垂直电磁场、分子掺杂、应变等方法都被应用于石墨烯能隙的调控。其中利用石墨烯纳米带产生能隙的方法由于对石墨烯材料性能影响较小，成为目前调控石墨烯能隙的最佳手段。图1左右两边显示了边缘为扶手椅型的不同宽度石墨烯纳米带结构和能隙对应关系。当石墨烯被加工成纳米尺度的准一维结构时，由于载流子被束缚，在理想无限高势垒边界条件下，石墨烯吸收能谱可由下式计算:

E代表能谱，V_F代表费米速度，P_||代表纳米带中电子(空穴)动量，w代表纳米带宽度，代表导带和价带间带隙，代表有效质量，n代表石墨烯纳米带子带系数。因此当石墨烯条在纳米量级时，可使导带与价带间带隙大小达到太赫兹波能量同一数量级，并可以调节宽度来响应不同太赫兹波波段信号。左图纳米带较宽，根据上式得到能隙E1较小；而右图纳米带较窄，根据上式得到能隙E2较大。这显示了由于侧向限制作用调节石墨烯带隙的原理。

图2为带光栅耦合器的光波导结构和原理图。n1,n2和n3分别为空气、波导和衬底的折射率。当n1<n2<n3时,一定角度入射的光会在波导的光密介质中以全反射的形式传输。而光栅耦合器上的输入光与光栅作用产生衍射输出光。入射光矢量为光栅光矢量及衍射光矢量三者间满足Bragg条件

对于输入耦合,设入射光由空气一侧以入射角为θ_i入射,上式变为

K₀sinθ_i+K_Λ＝K_m

式中,(空气n₀＝1),N_m为波导中的m阶模的有效折射率。为光栅常数,Λ为光栅周期,λ为入射光波长,q为衍射级次。只有满足Bragg条件的光才能有效地耦合进波导,或者从波导耦合出去。在本发明中，光波导结构上部入射耦合光栅的参数、光波导结构下部出射耦合光栅的参数与石墨烯纳米带的宽度都按特定波长的太赫兹光波最佳吸收效率匹配设计，以提高光能利用率，减少光电转换过程中的损耗。

图3为基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器结构图。传感器包括底栅极1和低阻硅衬底2以及设置于衬底2上的下绝缘层3、石墨烯纳米带阵列4、源漏电极5和6、上绝缘层7、顶栅极8和9、光波导结构10、入射耦合光栅11、出射耦合光栅12、驱动电路13。所述石墨烯纳米带阵列4由多个纳米带间隔排列组成，联通两端的源漏电极5和6。所述顶栅极8和9分为分别靠近源电极5和漏电极6的两条。所述光波导结构10上部的入射耦合光栅11布置在电极周围，光波导结构10下部的出射耦合光栅12布置于石墨烯纳米带阵列4之上。所述驱动电路13按照事先计算好的电压施加在源漏电极5和6、顶栅极8和9、底栅极1上，通过测量源漏间电流变化探测信号。这样，通过在光敏面较小的石墨烯纳米带阵列周围大面积布置光波导结构，大量的THz信号光通过入射耦合光栅收集、传输到石墨烯纳米带阵列上方，并通过出射耦合光栅汇聚到石墨烯纳米带阵列上，达到提高器件整体光能利用率的目的。其中，所述石墨烯纳米带阵列4中纳米带长度小于石墨烯中载流子复合时间内的传输距离，以提高光电转化效率，减少载流子输运中的损耗。所述驱动电路13在靠近源电极5的顶栅极8和底栅极1之间加负压，在靠近漏电极的顶栅极9和底栅极1之间加正压，电压大小满足石墨烯电掺杂的浓度要求，以在石墨烯纳米带p-i-n探测器的相应区域内形成p区和n区。石墨烯纳米带中间未受电掺杂影响的区域形成i区，也是主要的光电转换的空间电荷区。所述驱动电路13按照事先计算好的反向偏压施加源漏电极5和6上，以展宽空间电荷区，提高吸收率。在本发明实施例中，顶栅所用导电材料在THz波段是透明的。这样可以让更多的THz光信号被石墨烯纳米带接收。进一步，石墨烯纳米带4可以是单层或多层的。多层纳米带可以提高吸收率。

本发明利用石墨烯材料具有高载流子迁移率、电子无散射传输、能隙可调的光电特性，提出的新型THz探测器采用石墨烯纳米带和p-i-n光电探测结构，具有灵敏度高、响应快、可在室温下工作的优点。另外，本发明利用光波导收集、传输、汇聚光的特性，设计了大面积光波导和石墨烯纳米带阵列的复合结构，具有光能利用率高的优点。本发明探测器整体结构简单、便于集成、体积小。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范畴。

Claims (6)

1.基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：包括底栅极和低阻硅衬底以及设置于衬底上的下绝缘层、石墨烯纳米带阵列、源漏电极、上绝缘层、顶栅极、光波导结构、入射耦合光栅、出射耦合光栅和驱动电路；所述石墨烯纳米带阵列由多个纳米带间隔排列组成，联通两端的源漏电极，所述顶栅极分为分别靠近源电极和漏电极的两条，所述光波导结构上部的入射耦合光栅布置在电极周围，光波导结构下部的出射耦合光栅布置于石墨烯纳米带阵列之上,所述驱动电路按照事先计算好的电压施加在源漏电极、顶栅极、底栅极上，通过测量源漏间电流变化探测信号；光波导结构上部入射耦合光栅的参数、光波导结构下部出射耦合光栅的参数与石墨烯纳米带的宽度都按特定波长的太赫兹光波最佳吸收效率设计。

2.根据权利要求1所述的基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：所述石墨烯纳米带阵列中纳米带长度小于石墨烯中载流子复合时间内的传输距离。

3.根据权利要求1所述的基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：所述驱动电路在靠近源电极的顶栅极和底栅极之间加负压，在靠近漏电极的顶栅极和底栅极之间加正压，电压大小满足石墨烯电掺杂的浓度要求。

4.根据权利要求1所述的基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：所述驱动电路按照事先计算好的反向偏压施加源漏电极上。

5.根据权利要求1所述的基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：顶栅所用导电材料在THz波段是透明的。

6.根据权利要求1所述的基于光波导的石墨烯纳米带阵列太赫兹传感器，其特征在于：石墨烯纳米带可以是单层或多层的。