CN106129167B - 一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法，该探测器由下至上包括硅衬底层、底部钝化层、金属反射层、微桥支撑层、石墨烯薄膜层和金属图形层，微桥支撑层跨接在金属反射层两侧的底部钝化层上，且微桥支撑层与底部钝化层之间形成微桥空腔，金属反射层位于微桥空腔内；石墨烯薄膜层和金属图形层依次形成于微桥支撑层的顶面；微桥支撑层的侧面依次形成有电极层和桥腿钝化层，且电极层的一端电性连接石墨烯薄膜层，另一端连接底部钝化层；其中，微桥空腔、微桥支撑层以及石墨烯薄膜层构成复合介质层，金属反射层、复合介质层和金属图形层共同构成超材料结构。本发明能够解决现阶段太赫兹探测器存在的对太赫兹辐射吸收率低和响应低的问题。

Description

一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及室温太赫兹探测技术领域，特别是涉及一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，介于红外频段与微波频段之间，相比于红外辐射与微波波段的电磁波，其具有很多独特的性质，如可穿透性、低能性、宽带性、高空间的时间相干性等，这使它在天体物理学、材料科学、生物医学、环境科学、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广泛的技术应用。其中太赫兹探测成像技术是太赫兹技术的重要应用领域。
太赫兹探测技术包括太赫兹相干探测方法及非相干探测方法。常见的太赫兹脉冲相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测及空气等离子探测等方法；太赫兹非相干探测器件包括基于光热效应的微测辐射热计、热释电探测器、高莱探测器以及基于光电效应的肖特基二极管、场效应管及量子阱探测器等。具有微桥结构的太赫兹探测器具有室温探测、阵列化、简单易携且与红外探测器、工艺相兼容等优点，是现今发展的主流。
传统的具有微桥结构的太赫兹探测器是对红外探测器的延伸应用，但相比于红外辐射，太赫兹辐射的波长更长，能量更低，导致传统的太赫兹探测器对太赫兹辐射能量吸收较低，探测性能也相应的受到影响。为了提高太赫兹探测器的性能，目前提出了一些改进，包括：从多角度多微桥结构进行了优化，如设计新型的微桥桥腿，如“I”型、“L”型、“S”型；将单层微桥结构改进为双层结构，提高器件占空比；改进探测器敏感材料，选用新型材料作为探测器敏感层；2008年，日本NEC公司(Naoki Oda,et al.“Detection of terahertzradiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometerfocal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12)通过在传统的基于VOx热敏材料的微桥结构顶层增加一层金属吸收层以提高微桥对太赫兹辐射的吸收率。这些改进对太赫兹探测器的性能有一定提升，但工艺复杂，制备条件严格。
石墨烯(graphene)是由碳原子按六边形蜂窝状排列形成的单层二维平面晶体材，其单原子层厚度仅有0.335nm，是目前已知最薄的晶体材料。由于其特殊的原子排列及能带结构，使其具有一系列独特性质，如极高的机械性能，良好的导电性及优异的导热性等，自2004年Novoselov和Geim的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，其已逐渐成为研究的热点。由于石墨烯具有很高的室温载流子迁移率(2×105cm2/Vs，是硅的100倍)及特殊的零禁带宽度结构，利用石墨烯场效应晶体管作为太赫兹探测器，可以同时实现高速、宽频带太赫兹探测器，具有极大的应用前景。石墨烯对太赫兹辐射的响应有两种机理：一种是等离子体波模式；另一种是热辐射模式。但同时，采用石墨烯作为敏感材料存在的问题在于石墨烯对太赫兹辐射的吸收较低，一般为2.3％左右，限制了石墨烯作为太赫兹探测器敏感层的性能。
因此，如何提高采用石墨烯作为敏感材料的太赫兹探测器的太赫兹辐射吸收率是当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种石墨烯太赫兹探测器及其制备方法，能够解决现阶段太赫兹探测器存在的对太赫兹辐射吸收率低和响应低的问题，同时具有结构简单、易于阵列化等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种石墨烯太赫兹探测器，包括：硅衬底层；底部钝化层，所述底部钝化层形成于所述硅衬底层上；金属反射层，所述金属反射层形成于所述底部钝化层上；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述底部钝化层上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层形成于所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的一端电性连接所述石墨烯薄膜层，另一端连接所述底部钝化层；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层形成于所述电极层上；金属图形层，所述金属图形层形成于所述石墨烯薄膜层上；其中，所述微桥空腔、所述微桥支撑层以及所述石墨烯薄膜层构成复合介质层，所述金属反射层、所述复合介质层和所述金属图形层共同构成超材料结构。
优选地，所述石墨烯薄膜层的厚度为0.3～10nm。
优选地，所述金属图形层的形状为中心对称的十字架形，所述金属图形层的材料为Al、Au、Ni或NiCr中的一种，所述金属图形层的厚度为0.05～0.5μm。
优选地，所述十字架形的边长为10～100μm，线宽为1～6μm。
优选地，所述底部钝化层、所述微桥支撑层和所述桥腿钝化层的材料为氮化硅或氧硅，所述底部钝化层的厚度为0.02～1μm。
优选地，所述金属反射层的厚度为0.05～0.5μm。
优选地，所述电极层的厚度为0.02～1μm。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种石墨烯太赫兹探测器的制备方法，所述制备方法包括：提供硅衬底层，清洗所述硅衬底层并吹干后在所述硅衬底层上沉积得到底部钝化层；在所述底部钝化层上沉积得到金属反射层，并在所述金属反射层上光刻出桥面图状；在所述底部钝化层上旋涂包覆所述金属反射层的聚酰亚胺光刻胶得到微桥牺牲层，并对所述微桥牺牲层进行热固化处理；在所述微桥牺牲层上沉积得到微桥支撑层，并在所述微桥支撑层的两侧面上刻蚀出电极图形；在微桥支撑层的顶面转移得到石墨烯薄膜层，并在所述石墨烯薄膜层上刻蚀出所述桥面图形；在所述微桥支撑层的电极图形上沉积得到电极层；在所述石墨烯薄膜层的桥面图形上沉积得到金属图形层；在所述电极层上沉积得到桥腿钝化层；对所述微桥牺牲层进行释放处理，以在所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔。
优选地，所述微桥牺牲层的厚度为0.5～5μm。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过底部的金属反射层、由微桥空腔、微桥支撑层以及石墨烯薄膜层构成位于中间的复合介质层和顶部的金属图形层共同构成超材料结构，超材料结构可以使得对目标频点的太赫兹辐射吸收率接近100％，同时石墨烯薄膜层又作为微测辐射热计的敏感层，入射的太赫兹辐射被金属图形层吸收传导至石墨烯薄膜层，在偏置电压的作用下产生电学信号输出，进而探测到太赫兹辐射，从而能够解决现阶段太赫兹探测器存在的对太赫兹辐射吸收率低和响应低的问题，同时具有结构简单、易于阵列化等优点。
附图说明
图1是本发明实施例石墨烯太赫兹探测器的主视结构示意图。
图2是本发明实施例石墨烯太赫兹探测器的俯视结构示意图。
图3是本发明实施例石墨烯太赫兹探测器的超材料结构的太赫兹辐射吸收曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1和图2。本发明实施例石墨烯太赫兹探测器包括硅衬底层10、底部钝化层11、金属反射层12、微桥支撑层21、石墨烯薄膜层22、电极层23、桥腿钝化层24和金属图形层25。
底部钝化层11形成于硅衬底层10上。在本实施例中，底部钝化层11、微桥支撑层21和桥腿钝化层24的材料均为氮化硅或氧硅，底部钝化层11的厚度为0.02～1μm。
金属反射层12形成于底部钝化层11上。在本实施例中，金属反射层12的材料为Al、Au、Ni或NiCr等金属中的一种，金属反射层12的厚度为0.05～0.5μm。
微桥支撑层21跨接在金属反射层12两侧的底部钝化层11上，且微桥支撑层21与底部钝化层11之间形成微桥空腔20，金属反射层12位于微桥空腔20内。
石墨烯薄膜层22形成于微桥支撑层21的顶面。在本实施例中，石墨烯薄膜层的厚度为0.3～10nm。
电极层23形成于微桥支撑层21的侧面，且电极层23的一端电性连接石墨烯薄膜层22，另一端连接底部钝化层11。在本实施例中，电极层23的厚度为0.02～1μm。
金属图形层25形成于石墨烯薄膜层22上。在本实施例中，金属图形层25的形状为中心对称的十字架形，金属图形层25的材料为Al、Au、Ni或NiCr等金属中的一种，金属图形层25的厚度为0.05～0.5μm。进一步地，十字架形的边长为10～100μm，线宽为1～6μm。通过调整十字架形的尺寸可以使得微测辐射热计在目标频点附近有高的太赫兹辐射吸收率，在本实施例中十字架形的边长优选为48μm，线宽为3μm，微桥单元周期为60μm。
其中，微桥空腔20、微桥支撑层21以及石墨烯薄膜层22构成复合介质层，金属反射层12、复合介质层和金属图形层25共同构成超材料结构。石墨烯薄膜层22又作为微测辐射热计的敏感层，入射的太赫兹辐射被金属图形层25吸收传导至石墨烯薄膜层22，在偏置电压的作用下会产生电学信号输出，进而探测到太赫兹辐射。而超材料结构是由周期或非周期的亚波长单元结构组成的新型人工材料，由顶层的周期性金属结构层、中间介质层及底部的连续金属薄膜反射层构成，其基本工作原理是入射电磁波在空气-表面金属结构界面及底部反射面的多次反射折射引起的相消干涉。通过调整超材料结构的图形、结构参数及介质层材料厚度等参数可以调节谐振峰的位置及相应的吸收率，可以实现对目标频点的太赫兹辐射吸收率接近100％。
本发明实施例还提供一种石墨烯太赫兹探测器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：提供硅衬底层，清洗硅衬底层并吹干后在所述硅衬底层上沉积得到底部钝化层。
清洗硅衬底层后，通过吹干可以去除表面吸附的水汽，增强硅衬底层表面粘附力。底部钝化层可以采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积一层厚度为0.2μm的氮化硅薄膜得到。
S2：在底部钝化层上沉积得到金属反射层，并在金属反射层上光刻出桥面图状。
桥面图状可以采用湿法腐蚀法得到。
S3：在底部钝化层上旋涂包覆金属反射层的聚酰亚胺光刻胶得到微桥牺牲层，并对微桥牺牲层进行热固化处理。
微桥牺牲层的厚度为0.5～5μm，在本实施例中，优选为3μm。
S4：在微桥牺牲层上沉积得到微桥支撑层，并在微桥支撑层的两侧面上刻蚀出电极图形。
微桥支撑层同样可以采用PECVD得到，电极图形可以采用光刻胶剥离工艺得到。
S5：在微桥支撑层的顶面转移得到石墨烯薄膜层，并在石墨烯薄膜层上刻蚀出桥面图形。
S6：在微桥支撑层的电极图形上沉积得到电极层。
电极层的沉积金属优选为NiCr。
S7：在石墨烯薄膜层的桥面图形上沉积得到金属图形层。
金属图形层也可以采用光刻胶剥离工艺得到。
S8：在电极层上沉积得到桥腿钝化层。
S9：对微桥牺牲层进行释放处理，以在微桥支撑层与底部钝化层之间形成微桥空腔。
金属图形层与由微桥空腔、微桥支撑层以及石墨烯薄膜层构成复合介质层以及金属反射层共同构成超材料结构。
采用本发明实施例的制备方法得到的石墨烯太赫兹探测器，可以大幅提高太赫兹辐射吸收率，参阅图3，由图中易知在2.52THz附近，该石墨烯太赫兹探测器的超材料结构对太赫兹辐射的吸收率接近100％，极大的提高了太赫兹辐射的吸收率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，包括：
硅衬底层；
底部钝化层，所述底部钝化层形成于所述硅衬底层上；
金属反射层，所述金属反射层形成于所述底部钝化层上；
微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述底部钝化层上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；
石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层形成于所述微桥支撑层的顶面；
电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的一端电性连接所述石墨烯薄膜层，另一端连接所述底部钝化层；
桥腿钝化层，所述桥腿钝化层形成于所述电极层上；
金属图形层，所述金属图形层形成于所述石墨烯薄膜层上；
其中，所述微桥空腔、所述微桥支撑层以及所述石墨烯薄膜层构成复合介质层，所述金属反射层、所述复合介质层和所述金属图形层共同构成超材料结构。
2.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜层的厚度为0.3～10nm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述金属图形层的形状为中心对称的十字架形，所述金属图形层的材料为Al、Au、Ni或NiCr中的一种，所述金属图形层的厚度为0.05～0.5μm。
4.根据权利要求3所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述十字架形的边长为10～100μm，线宽为1～6μm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述底部钝化层、所述微桥支撑层和所述桥腿钝化层的材料为氮化硅或氧硅，所述底部钝化层的厚度为0.02～1μm。
6.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述金属反射层的厚度为0.05～0.5μm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹探测器，其特征在于，所述电极层的厚度为0.02～1μm。
8.一种石墨烯太赫兹探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供硅衬底层，清洗所述硅衬底层并吹干后在所述硅衬底层上沉积得到底部钝化层；
在所述底部钝化层上沉积得到金属反射层，并在所述金属反射层上光刻出桥面图状；
在所述底部钝化层上旋涂包覆所述金属反射层的聚酰亚胺光刻胶得到微桥牺牲层，并对所述微桥牺牲层进行热固化处理；
在所述微桥牺牲层上沉积得到微桥支撑层，并在所述微桥支撑层的两侧面上刻蚀出电极图形；
在微桥支撑层的顶面转移得到石墨烯薄膜层，并在所述石墨烯薄膜层上刻蚀出所述桥面图形；
在所述微桥支撑层的电极图形上沉积得到电极层；
在所述石墨烯薄膜层的桥面图形上沉积得到金属图形层；
在所述电极层上沉积得到桥腿钝化层；
对所述微桥牺牲层进行释放处理，以在所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔。
9.根据权利要求8所述的石墨烯太赫兹探测器的制备方法，其特征在于，所述微桥牺牲层的厚度为0.5～5μm。
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