CN105514128A - 一种石墨烯室温太赫兹波探测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石墨烯室温太赫兹波探测器，所述探测器件包括蓝宝石衬底和其上蒸镀对数周期天线结构以及引线电极，且太赫兹波耦合对数周期天线两边分别与对应的引线电极相连，在对数周期天线间距中转移具有载流子浓度可调和高迁移率的石墨烯导电沟道，保证石墨烯与两边对数周期天线互连。本发明的优点在于：器件的太赫兹响应高，可实现宽频、高速、高灵敏度、高信噪的太赫兹波探测；器件的集成度和小型化好，为实现太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

Description

一种石墨烯室温太赫兹波探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波探测器，特别涉及一种在室温条件下石墨烯/对数周期天线/蓝宝石衬底结构对太赫兹波实现高速、高灵敏度、高信噪比的探测器。

背景技术

太赫兹波(Terahertz,Hz)辐射是指频率在0.1～10THz(波长3mm～30um)之间的电磁波，位于远红外和微波相互交叉的波段，长期以来缺乏相应的方法对其进行产生和探测，从而形成THz空白(terahertzgap)。

太赫兹光子特点与应用：(a)光子能量小；生物大分子和DNA分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段，太赫兹辐射可用于疾病诊断、生物体的探测及癌细胞的表皮成像。(b)对许多介质材料具有高透射性；可以对物体进行无损探伤，比如对重要航天器材料内部所掩埋的缺陷探测可以排除安全隐患。(c)太赫兹波在太空环境中被吸收得较少，传播距离远，可以用于对星际形成过程和介质化学性质分析。

实现太赫兹技术应用与突破，其中一个关键技术就是太赫兹波探测，需要发展具备可控半导体材料-入射光场相互作用以及太赫兹波光电响应能力的探测器件。但是，传统地室温下依靠量子阱子带间跃迁的方法很难实现辐射探测目的，因为光子的能量要比热能量小很多，很容易达到热饱。目前，应用较多的商用太赫兹波探测器包括辐射热机(需要制冷)、肖特基二极管(低于1Hz以下)、热释电探测器(响应速度慢)等缺点，因此，需要探索新的物理原理和利用新的半导体材料实现太赫兹波探测。由于低维碳材料具有独特的物理结构，特殊的电学特性，为新型光电功能转换特性的研究提供了良好的平台，其中最具典型的是石墨烯。

Dyakonov和Shur阐述了场效应管中等离子体波在沟道中被激发实现太赫兹波探测，在太赫兹辐射激发下，器件的沟道会有一个直流压降产生光响应；同时，非线性效应使得器件对入射太赫兹波进行有效的频率倍增产生高阶谐波，该太赫兹辐射探测理论得到多方面的实验验证。

发明内容

基于现有技术的缺陷和理论的支撑，本发明的目的是提出以载流子浓度可调和高迁移率的石墨烯为基本结构单元，同时，集成对数周期天线结构和引线电极，一种石墨烯/对数周期天线/蓝宝石衬底太赫兹波探测器件，最终在室温条件下实现宽频、高速、高灵敏度、高信噪的THz探测。

本发明的上述目的，将通过以下技术方案得以实现：

探测器件在蓝宝石衬底4上蒸镀对数周期天线2结构以及引线电极3，太赫兹波耦合对数周期天线2两边分别与对应的引线电极3相连，在对数周期天线2间距中转移具有载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2可调和高迁移率1000～10000cm²V^-1s^-1的石墨烯1导电沟道，保证石墨烯1与两边对数周期天线2互连；

所述的蓝宝石衬底4的厚度为0.5～1mm；

所述的对数周期天线2的尺寸为：外半径1～2mm，厚度100～200nm；

所述的引线电极3的厚度为200～400nm；

所述的导电沟道长度为6～80um。

本发明的上述目的，是通过以下技术方案制作完成的。

1)首先将蓝宝石衬底进行表面清洗，并通过切割技术将衬底和铜片上生长的石墨烯切成小样品；

2)使用紫外光刻、电子束蒸发法及lift-off剥离工艺制备对数周期天线结构和引线电极，包括沟道、紫外光刻的对准标记以及电子束光刻对准标记；

3)将铜片上生长的石墨烯，通过FeCl₃溶液刻蚀法，刻蚀铜片衬底约24h，然后在体积比约1/10的稀释盐酸和去离子水混合溶液中清洗覆盖PMMA石墨烯薄膜，清洗完，将覆盖PMMA的石墨烯薄膜转移到具有天线结构的蓝宝石衬底上，阴干约4h，在丙酮中静置20～25min去除PMMA，最后，在60～80℃的温度条件下烘干20～25min；

4)利用紫外光刻和O₂离子刻蚀法，刻蚀长度约6～80um石墨烯导电沟道，并在体积比约1/5氢气和氮气混合气体下进行约300℃高温退火处理，去除石墨烯残留的光刻胶和水，形成良好的欧姆接触；

5)通过紫外光刻、电子束蒸发和剥离工艺制备300～400nm加厚电极；

6)最后，采用正规的半导体封装技术，对器件进行封装。

实现本发明的技术方案，其创新优点体现在：

1、使用蓝宝石(Al₂O₃)作为衬底，大大地减少高掺杂的硅表面覆盖二氧化硅衬底对太赫兹的反射，提高了石墨烯材料吸收率，提高器件的太赫兹响应，更便于透射谱和反射谱的测试。

2、采用载流子浓度可调和高迁移率的石墨烯材料作为导电沟道，利用石墨烯太赫兹等离子体波或电子气震荡的非线性光电导调制效应，实现宽频、高速、高灵敏度、高信噪的THz探测。

3、集成了对数周期天线结构和引线电极欧姆接触，实现强的光场耦合能力，提高器件的集成度和小型化，为实现太赫兹探测器大规模应用奠定基础。

附图说明

图1为本发明太赫兹探测器件结构一实施例探测结构单元的正视示意图及局部放大示意图；

图2为图1所示太赫兹探测器件的结构侧视示意图；

图3为本发明太赫兹探测器件测试的实验装置示意图；

图4为本发明太赫兹探测器在室温下斩波频率1kHz太赫兹响应波形图；

图5为本发明太赫兹探测器在室温下斩波频率5kHz太赫兹响应波形图；

图6为本发明太赫兹探测器在室温下斩波频率10kHz太赫兹响应波形图；

图7为本发明太赫兹探测器在室温下不同偏置电流的太赫兹响应图；

图8为本发明太赫兹探测器在室温下不同距源距离的太赫兹响应图；

图9为发明太赫兹探测器在室温下不同偏振角度的太赫兹响应图。

1～石墨烯，2～对数周期天线，3～引线电极，4～蓝宝石衬底。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行详述，以便发明技术方案易于理解、掌握。

参见图1和图2，它是一种石墨烯太赫兹波探测器结构图，所述探测器件包括蓝宝石衬底4(厚度1mm)和其上蒸镀对数周期天线结构2，以及引线电极3，且太赫兹波耦合对数周期天线2两边分别与对应的引线电极3相连，在对数周期天线2间距中转移具有载流子浓度可调和高迁移率的石墨烯1导电沟道，保证石墨烯1与两边对数周期天线2互连。蓝宝石作为衬底，大大地减少高掺杂硅覆盖二氧化硅对太赫兹的反射，提高了太赫兹响应率，采用载流子浓度可调和高迁移率石墨烯作为导电沟道，利用石墨烯太赫兹等离子体波或电子气震荡的非线性光电导调制效应，实现宽频、高速、高灵敏度、高信噪的太赫兹探测；集成了对数周期天线结构和引线电极欧姆接触，实现强的光场耦合能力，提高器件的集成度和小型化，具体制备和测试流程如下：

步骤1首先对厚度为1mm蓝宝石衬底进行表面清洗(乙醚-丙酮-酒精-去离子水)，超声辅助，并通过切割技术将衬底和铜片上生长的石墨烯切成1.5cm×1.5cm²样品。

步骤2使用紫外光刻(MA6)、电子束蒸发法及lift-off剥离工艺在蓝宝石衬底上制备对数周期天线结构和引线电极(Cr/Au)以及紫外光刻的对准标记和电子束光刻的对准标记。

步骤3在铜片上生长的石墨烯涂上PMMA，在120℃温度下烘干时间约20min；将覆盖PMMA的铜片石墨烯漂浮地静置在三氯化铁溶液，时间一夜；用盐酸和去离子水体积比约1/10混合液清洗覆盖PMMA石墨烯的薄膜，然后将覆盖PMMA的石墨烯膜转移到具有天线结构的蓝宝石衬底上，阴干4h，在丙酮中放置约25min去除PMMA，最后，在约80℃的温度条件下烘干20～25min。

步骤4利用紫外光刻和O₂离子反应刻蚀法，刻蚀长度(6～80um)石墨烯导电沟道，并在体积比5/1N₂/H₂气体下进行约300℃高温退火，形成良好的欧姆接触，去除石墨烯残留光刻胶和水等。

步骤5通过对准标记进行紫外光刻、电子束蒸发和liff-off剥离工艺制备加厚电极Au。

步骤6最后，采用正规的半导体封装技术，对步骤(5)的器件进行封装。

步骤7如图3所示，用40GHz微波振荡器以及耿氏振荡器产生0.15THz连续波辐射，光源经过离轴抛面镜聚焦到探测器件上，探测器件产生的光电流信号通过前置放大器(SR560)放大信号，分别输入示波器，锁相放大器(SR560)，除此之外，还需要斩波器(SR430)斩波频率的参考信号分别输入示波器，锁相放大器，才能保证太赫兹响应波形保留和响应度记录。

实施例1

蓝宝石衬底的厚度为0.5mm，当对数周期天线结构外直径2mm、弧度40°，厚度100、引线电极3厚度200nm以及80um的导电沟道CVD石墨烯(浓度约10¹³cm^-2，迁移率约1000～5000cm²V^-1s^-1)。在太赫兹波的照射下，由于天线对太赫兹波的响应跟电场的极化方向有关(如图9所示)，当太赫兹波垂直入射到探测器的正面，对数周期天线的长边和电场方向成约30°时，天线的响应度最大，得到的光电流最大，当太赫兹波垂直入射到探测器的正面，且天线的长边跟平行时，天线的响应度最小，得到的光电流最小；同时，如图4、图5和图6所示，固定偏置电流2mA和固定距源距离7cm前提下，得到斩波频率1kHz或5kHz或10kHz的太赫兹光响应波形。

实施例2

蓝宝石衬底的厚度为1mm，当对数周期天线结构外直径1mm、弧度50°，厚度100、引线电极厚度200nm以及6um的导电沟道CVD石墨烯(浓度约10¹³cm^-2，迁移率约1000～5000cm²V^-1s^-1)，天线响应跟电场的极化方向有关和例1类似，天线的响应还与器件上偏置电流有关，随着电流增大，光响应度越大，得到的光电流越大，如图7所示，固定距源距离7cm处前提下，在偏置电流0.5mA或1.0mA或1.5mA或2.0mA，得到不同斩波频率的太赫兹光响应度。

实施例3

蓝宝石衬底的厚度为0.7mm，当对数周期天线结构外直径2mm、弧度40°，厚度100、引线电极厚度200nm以及20um的导电沟道CVD石墨烯(浓度约10¹³cm^-2，迁移率约1000～5000cm²V^-1s^-1)，天线响应跟电场的极化方向有关和例1类似，天线的响应还与器件上距源距离有关，随着距源距离增大，光响应度越小，得到的光电流越小，如图8所示，固定偏置电流2mA，在距源距离7cm或15cm25cm或50cm处，得到不同斩波频率的太赫兹光响应度。

探测器结构的参数在一定范围里变化，本发明中石墨烯室温太赫兹波探测器都有很好的探测太赫兹波，测试结果表明器件信噪比超过10³，并初步实现了不同空间距离下器件的响应幅度的变化，在距离源的间距50cm以上的情况下器件的信噪比仍然保持在10³，在液氮下探测效果可能会更佳。

Claims (2)

1.一种石墨烯太赫兹波探测器，包括石墨烯(1)、对数周期天线(2)、引线电极(3)、蓝宝石衬底(4)，其特征在于：

所述太赫兹波探测器在蓝宝石衬底(4)上蒸镀对数周期天线(2)结构以及引线电极(3)，太赫兹波耦合对数周期天线(2)两边分别与对应的引线电极(3)相连，在对数周期天线(2)间距中转移具有载流子浓度10¹¹～10¹⁴cm^-2可调和高迁移率1000～10000cm²V^-1s^-1的石墨烯(1)导电沟道，保证石墨烯(1)与两边对数周期天线2互连；

所述的蓝宝石衬底(4)的厚度为0.5～1mm；

所述的对数周期天线(2)的尺寸为：外半径1～2mm，厚度100～200nm；

所述的引线电极3的厚度为200～400nm；

所述的导电沟道长度为6～80um。

2.一种制备如权利要求1所述一种石墨烯太赫兹波探测器件的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先将蓝宝石衬底进行表面清洗，并通过切割技术将衬底和铜片上生长的石墨烯切成小样品；

2)使用紫外光刻、电子束蒸发法及lift-off剥离工艺制备对数周期天线结构和引线电极，包括沟道、紫外光刻的对准标记以及电子束光刻对准标记；

3)将铜片上生长的石墨烯，通过FeCl₃溶液刻蚀法，刻蚀铜片衬底约24h，然后在体积比约1/10的稀释盐酸和去离子水混合溶液中清洗覆盖PMMA石墨烯薄膜，清洗完，将覆盖PMMA的石墨烯薄膜转移到具有天线结构的蓝宝石衬底上，阴干约4h，在丙酮中静置20～25min去除PMMA，最后，在60～80℃的温度条件下烘干20～25min；

4)利用紫外光刻和O₂离子刻蚀法，刻蚀长度约6～80um石墨烯导电沟道，并在体积比约1/5氢气和氮气混合气体下进行约300℃高温退火处理，去除石墨烯残留的光刻胶和水，形成良好的欧姆接触；

5)通过紫外光刻、电子束蒸发和剥离工艺制备300～400nm加厚电极；

6)最后，采用正规的半导体封装技术，对器件进行封装。