CN113013714A - 石墨烯太赫兹光源器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯太赫兹光源器件及其制作方法。所述石墨烯太赫兹光源器件包括：石墨烯沟道区、源极、漏极和栅极，所述石墨烯沟道区设置在栅极上方，所述源极经石墨烯沟道区漏极电连接，所述栅极包括异质结、第一电极和第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极和第二电极通过所述二维电子气电连接，且所述石墨烯沟道区能够与所述异质结内的二维电子气互调。本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件可形成石墨烯等离激元的场效应太赫兹器件，而石墨烯的高载流子迁移率可以带来器件的更高灵敏度和电学响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹光源器件，特别涉及一种石墨烯太赫兹光源器件及其制作方法，属于半导体技术领域。
背景技术
现有太赫兹光源器件一般以石墨烯作为沟道、金属作为栅极，现有太赫兹光源器件无论在材料质量还是在结构设计与工艺技术上，都有很大的优化提升空间，例如，尽管石墨烯的理论载流子迁移率是3000cm2/Vs，实验发现，石墨烯沟道区上设置的氧化铝介质层和金属栅极会导致石墨烯沟道区的载流子迁移率降低到大约405cm2/Vs，下降了大约87％，这一点也从实验上说明石墨烯载流子迁移率会受到上下表面介质层和衬底的影响。
现有太赫兹光源器件的石墨烯沟道区上下表面分别与介质层、衬底接触，界面衬底和介质层的晶格散射、杂质散射会降低石墨烯沟道区的电子迁移率，从而影响等离激元的激发，达不到理想结果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种石墨烯太赫兹光源器件，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种石墨烯太赫兹光源器件，包括石墨烯沟道区、源极、漏极和栅极，所述石墨烯沟道区设置在栅极上方，所述源极经石墨烯沟道区漏极电连接，所述栅极包括异质结、第一电极和第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极和第二电极通过所述二维电子气电连接，且所述石墨烯沟道区二维电子气与所述异质结内的二维电子气相互调控，，可用于辐射太赫兹波。
本发明实施例还提供了所述的石墨烯太赫兹光源器件的制作方法，包括：
制作异质结以及第一电极、第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极与第二电极通过所述二维电子气电连接，
在所述异质结上形成石墨烯沟道区；以及
制作与所述石墨烯沟道区相匹配的源极、漏极，所述源极经所述石墨烯沟道区与所述漏极电连接。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供了一种石墨烯太赫兹光源器件，以异质结、第一电极和第二电极组合形成栅极并与上方石墨烯接触，减小了栅极对石墨烯载流子迁移率影响；
2)与金属栅相比，本发明实施例提供了一种石墨烯太赫兹光源器件在石墨烯/AlGaN/GaN界面处形成了具有出色空间均匀性的低肖特基势垒，与金属/AlGaN/GaN触点的测量值相比更低；石墨烯触点电行为与AlGaN供体状表面状态非常接近，也与n型AlGaN/GaN掺杂(n s约1.3×1013cm-2)有关，反应在器件性能上，即为在AlGaN/GaN小的栅控条件下，即可引起石墨烯沟道较高的电导反应，根据Gr/AlGaN/GaN异质结构中的传输特性，可以得到具有高工作速度和新型垂直场效应晶体管；
3)本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件，以AlGaN/GaN异质结二维电子气作为栅极调控石墨烯沟道区二维电子气，石墨烯本身作为二维电子气存在等离激元，而通过栅极电压调控GaN/AlGaN异质结二维电子气，从而连续调节石墨烯载流子浓度，进而调节石墨烯等离激元的振荡频率；
4)本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件可形成石墨烯等离激元的场效应太赫兹器件，而石墨烯的高载流子迁移率可以带来器件的更高灵敏度和电学响应。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的结构示意图；
图2和图3是本发明一典型实施案例中提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的俯视结构示意图；
图4是本发明一典型实施案例中提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的俯视结构示意图；
图5是本发明一典型实施案例中提供的石墨烯-GaN器件的沟道电导曲线测试电路图；
图6是本发明一典型实施案例中提供的石墨烯-GaN器件的沟道电导随栅压变化的曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
石墨烯表面等离子体波频率可调，与AlGaN/GaN异质结内的二维电子气发生共振耦合，从而使石墨烯可与AlGaN/GaN异质结内的二维电子气互调，可用于辐射太赫兹波。本发明采用AlGaN/GaN作为栅极调节石墨烯二维电子气，从而可以很大程度(迁移率降低55％)避免因制备栅极和介质层的晶格散射、杂质散射造成的石墨烯载流子迁移率的降低，以石墨烯为基础的太赫兹器件的研究必将有广泛的应用前景。
如本领域技术人员所知悉的，石墨烯沟道区的迁移率低是由于栅极氧化介质层及衬底晶格散射和杂质散射造成的，本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件，针对石墨烯沟道区场载流子迁移率低的问题进行改进，以GaN/AlGaN异质结中的高浓度、高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发石墨烯载流子的机制，并以所述石墨烯太赫兹光源器件辐射太赫兹波。
本发明实施例提供了一种石墨烯太赫兹光源器件，包括石墨烯沟道区、源极、漏极和栅极，所述石墨烯沟道区设置在栅极上方，所述源极经石墨烯沟道区漏极电连接，所述栅极包括异质结、第一电极和第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极和第二电极通过所述二维电子气电连接，且所述石墨烯沟道区二维电子气与所述异质结内的二维电子气相互调控。
本发明实施例提供了一种石墨烯太赫兹光源器件，以带状AlGaN/GaN异质结调谐石墨烯(以石墨烯承载电流，以AlGaN/GaN作背栅)，调控施加在AlGaN/GaN异质结的栅压来调节石墨烯内的二维电子气浓度，通过调节周期和石墨烯沟道二维电子气浓度调控石墨烯等离激元的振荡角速度，使得振荡频率fp在0.3～3THz范围内；由于载流子之间的库仑相互作用，使得AlGaN/GaN异质结内一处载流子浓度的涨落,必将引起石墨烯沟道区载流子浓度的振荡，从而导致石墨烯内二维电子气浓度的振荡，进而将共振石墨烯等离激元频率控制在0.3～3THz范围内。
进一步的，所述栅极包括多个间隔设置的异质结，所述第一电极和第二电极分别与所述异质结中的二维电子气电连接。
进一步的，所述异质结为条带状结构，所述多个异质结沿指定方向依次间隔排列形成条栅结构。
进一步的，所述单个异质结的长度为3-5mm、宽度0.5-4.5um，相邻两个所述异质结之间的间距为0.5-4.5um；为使得等离激元频率在0.3～3THz范围内，通过设置单个AlGaN/GaN异质结的栅周期在1-9um，即栅长为0.5-4.5um，栅宽3mm，栅极总长度为3mm。
进一步的，所述异质结包括GaN/AlGaN异质结。
进一步的，所述单个栅极的栅长为0.5-4.5um，周期为1-9um。
进一步的，所述栅极与所述石墨烯沟道区之间还设置有GaN盖帽层，所述GaN盖帽层与所述栅极、石墨烯沟道区电性配合。
进一步的，所述石墨烯沟道区包括单层石墨烯。
本发明实施例还提供了所述的石墨烯太赫兹光源器件的制作方法，包括：
制作异质结以及第一电极、第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极与第二电极通过所述二维电子气电连接，
在所述异质结上形成石墨烯沟道区；以及
制作与所述石墨烯沟道区相匹配的源极、漏极，所述源极经所述石墨烯沟道区与所述漏极电连接。
进一步的，所述的制作方法具体包括：制作多个沿指定方向间隔排列分布的异质结，并使所述第一电极、第二电极分别与所述异质结内的二维电子气电连接。
进一步的，所述的制作方法具体包括：
制作形成包含第一半导体和第二半导体的异质结，所述第二半导体设置在第一半导体上方且所述第一半导体和第二半导体之间形成有二维电子气；
采用离子注入方式对所述异质结的多个选定区域进行处理，以将所述选定区域对应的二维电子气耗尽，从而在所述异质结内的选定区域形成隔离区，所述隔离区将所述异质结分隔形成多个功能区，每一所述功能区内均形成有二维电子气；
进一步的，形成所述隔离区所采用的注入离子包括氟离子。
进一步的，所述的制作方法具体包括：采用离子注入的方式依次对所述异质结的选定区域进行多次离子注入处理，以形成所述的隔离区，进行多次离子注入时的注入电压、注入剂量依次减小，而束流密度和注入角度保持不变。
例如，所述的制作方法具体包括：对所述异质结的选定区域依次进行三次离子注入处理，以形成所述的隔离区，第一次离子注入的注入电压(能量)为140±10KV、注入剂量(浓度)为1.2±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度(相对片子平面)为7±2°；第二次离子注入的注入电压为80±10KV、注入剂量为6±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度为7±2°；第三次离子注入的注入电压为40±10KV、注入剂量为1.2±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度为7±2°。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明，本发明实施例提供的石墨烯太赫兹光源器件中的各个结构层的制备工艺以及检测方法等均可以采用本领域技术人员已知的。
请参阅图1和图2，一种石墨烯太赫兹光源器件，包括石墨烯沟道区、源极、漏极和栅极，所述石墨烯沟道区设置在栅极上方，所述源极经石墨烯沟道区漏极电连接，所述栅极包括异质结、第一电极和第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极和第二电极通过所述二维电子气电连接，且所述石墨烯沟道区能够与所述异质结内的二维电子气互调。
具体的，所述包括源极、漏极和异质结设置在蓝宝石衬底上。
具体的，所述源极、漏极沿第一方向分别设置在所述石墨烯沟道区的两侧，所述栅极包括多个沿第一方向依次间隔排列分布的异质结，第一电极、第二电极分别与所述多个异质结连接配合，所述异质结为沿不同于第一方向的第二方向延伸设置的条带状结构。
具体的，请参阅图3-图4，通过设置所述AlGaN/GaN异质结的光栅周期在1-9um，即栅长为0.5-4.5um，栅宽3mm，厚度约为400nm，所有栅长总长度3mm，使得等离激元频率在0.3～3THz范围内。
具体的，所述异质结为GaN/AlGaN异质结，GaN/AlGaN异质结栅极的栅长为0.5-4.5um，周期为1-9um，总长为3000um，石墨烯沟道区的面积为3000*3000μm；本发明实施例提供的石墨烯太赫兹光源器件，石墨烯沟道区位于GaN/AlGaN异质结表面，且中间未生长氧化层，基于此，可以改善引入杂质层对石墨烯沟道区造成的影响，本发明实施例中石墨烯内载流子迁移率为13600cm2/Vs，相较于现有技术中的3000cm2/Vs，本发明实施例中石墨烯内电子迁移率下降了大约55％。
在一些较为具体的实施方案中，一种石墨烯太赫兹光源器件的制作方法包括如下流程：
1)提供厚度为450μm的蓝宝石衬底，单面抛光，并在所述蓝宝石衬底上外延生长30nmGaN成核层，因为蓝宝石和GaN具有相似的纤锌矿结构，且成本较低，但是两者之间的晶格常数差异大，失配率达13％，所述衬底上外延生长30nmGaN成核层可降低晶格失配对即将外延生长的GaN缓冲层造成的影响；
2)在所述GaN成核层上生长1-2umGaN缓冲层；
3)在所述GaN缓冲层上生长1-2nmAlN层，AlN层既能减小GaN缓冲层与AlGaN层之间的晶格失配，也能增加二维电子气的势阱深度，减小AlGaN层电离施主对二维电子气的库仑散射，提高电子迁移率；
4)在所述AlN层上生长6nm无掺杂AlGaN层，无掺杂AlGaN层将二维电子气与电离杂质分离，使电子运动不受杂质散射影响，从而提高电子迁移率；
5)在所述无掺杂AlGaN层上生长12nm n型AlGaN层；
6)在所述n型AlGaN层上生长2nmGaN帽层，GaN帽层可以作为栅极与石墨烯沟道区之间的氧化层，也可以传导电子；
7)GaN/AlGaN功能区制备：在GaN帽层上，在功能区域AZ6130光刻胶掩模，并采用F离子注入隔离工艺对未被AZ6130光刻胶掩模覆盖的区域(非功能区)进行F离子注入，注入角度为7°，以在GaN缓冲层与AlGaN层形成的异质结内隔离非功能区，即隔断异质结二维电子气，所述多个隔离区将所述异质结分隔形成多个彼此电性隔离的异质结(或称之为功能区)，进而实现对栅极功能区的隔离；
在此之后，对所述异质结的选定区域依次进行三次F-离子注入以形成所述的隔离区，前烘烤温度100℃，时间为180秒，所使用的设备为离子注入机NV-GSD-HE，其中，第一次离子注入的注入电压(能量)为140±10KV、注入剂量(浓度)为1.2±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度(相对片子平面)为7±2°；第二次离子注入的注入电压为80±10KV、注入剂量为6±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度为7±2°；第三次离子注入的注入电压为40±10KV、注入剂量为1.2±0.001×1013、束流密度(剂量)为110±10uA、注入角度为7±2°。
在对栅极功能区完成隔离后，在GaN/AlGaN异质结的两端分别制作与所述异质结连接的第一电极、第二电极，所述第一电极能够通过所述异质结内的二维电子气与第二电极电连接，从而使多个GaN/AlGaN异质结内的二维电子气体能够连接；
8)制备第一、第二电极：对样品进行进一步的的光刻和剥离，然后将样品放入1:10的HCl溶液中，静置1分钟，然后清洗干燥(此步为清洗除去片子表面有机无机杂质)；使用Ei-5z设备进行电子束蒸发以在样品表面蒸发形成Ti/Al/Ni/Au＝20/130/50/50nm的金属层，之后再把样品在丙酮溶液在浴水剥离等处理以形成所述的第一、第二电极；
9)转移整片石墨烯：通过化学气相沉积法转移单层整片石墨烯，转移石墨烯的条件为：石墨烯是在铜箔上生长的，转移介质用的是PMMA，将PMMA旋涂在铜箔上石墨烯上表面，形成PMMA/石墨烯/铜箔三层结构；铜箔在石墨烯的下表面，先在溶液中刻蚀掉铜箔，反应方程式为(Cu2++2Cl+Cu＝Cu2Cl2↓)，刻蚀完会用18兆欧的去离子水洗到溶液离子浓度1ppm以下，再用以上生长完第一第二电极片子在溶液中捞取PMMA/石墨烯，此时石墨烯面紧贴片子，PMMA在上表面，再用丙酮去除PMMA；目前常规转移是泡丙酮去除PMMA，不过可能有少量PMMA残留；(正常转移后石墨烯需要有退火工艺，目的去除PMMA残留)退火工艺条件是400℃惰性气体下保温30分钟，气压10帕以内；退火工艺可以彻底去除PMMA，可以改善石墨烯与基底的附着力，不过如果用石墨烯做肖特基结的话，可能会降低效果，其他应用不影响，本发明石墨烯与下方GaN/AlGaN异质结形成肖特基接触，故本发明不采取退火工艺；
10)石墨烯有源区制备：转移好整片石墨烯后，需保留石墨烯功能区，故对非功能区进行刻蚀工艺；可以使用氧等离子体M4L(300W,1min)打氧机，刻蚀后形成石墨烯沟道区(功能区)，此步刻蚀后不需要洗去覆盖石墨烯功能区的光刻胶，先进行拉曼测试，检测应刻蚀区域(非功能区)石墨烯是否存在，若存在，继续刻蚀直至刻蚀完全；
11)石墨烯欧姆源漏电极制备：在所述石墨烯沟道区的两端分别制作形成Ti/Au源漏欧姆电极，厚度为20/100nm，源漏电极可以压住片状石墨烯，使其不易被剥离；
12)最后，对所有电极进行加厚处理，加厚电极为Ni/Au，厚度为30/300nm，此步为了方便后面引线裂片封装做准备，(作用是方便后续测试的引线封装，不加厚会导致引线撕裂电极)。
具体的，本发明人还对本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件进行电导特性测试，测试结果如下：电导(G)主要表征栅极对沟道载流子的调控能力，控制沟道的开关特性，表示为源漏两端电流Ids和电压Vds的比值，零偏压时沟道微分电导如式1)所示，
图6为沟道电导随栅压变化曲线的测试电路图，在无直流偏压时，沟道微分电导可通过在源漏两端施加一小交流电压(10-50mV)信号，观察交流电信号测得，测试电路图如图5所示，由锁相放大器7265产生一个交流电压信号Vac(即为小电压量dVds＝10-50mV)输入漏端，电流经过器件从源端输出，经过电流前置放大器送至锁相放大器，得到变化小量电流Vac＝dIds。YOKOGAWA直流源表连接栅极，未接保护电阻，通过扫描栅压即可得G-Vg曲线。
室温下，器件微分电导随栅压的变化如图6所示，该曲线直接反应了栅极电压对场效应沟道电阻的调控能力；当栅压比较小时，二维电子气存在于导电沟道中，导电沟道可近似于一个电阻值较小的恒定电阻，器件阻抗基本稳定；而栅压增大时，靠近漏极一端的沟道电阻迅速增大，随着栅压进一步增大，在栅压Vg为3.8V附近，栅极端的沟道被关小，二维电子气被消耗，此时栅极不能持续提供给石墨烯沟道电子，故会有一个小缓坡，即为石墨烯狄拉克点位置，此时石墨烯沟道载流子正从空穴变成电子，由于此时栅极关断，不能持续提供电子，故看不到明显石墨烯狄拉克点；当继续增大电压，沟道弱导电，此时沟道阻抗变得很大，电导接近为零。
具体的，本发明人还对本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件进行了霍尔测试，测试结果如表1所示：
表1为石墨烯太赫兹光源器件的霍尔测试结果
本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件避免了栅介质层晶格散射及杂质散射对石墨烯的影响，从表1中的测试结果来看，本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件大大提高了石墨烯内的载流子迁移率，由于衬底对石墨烯仍有影响，本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的石墨烯沟道区内载流子迁移率为1360cm2/Vs，相较于现有器件的3000cm2/Vs，下降了大约55％；并且，本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的石墨烯沟道区内的载流子浓度非常高，可达12次方数量级。
本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件，以带状AlGaN/GaN异质结调谐石墨烯(以石墨烯承载电流，以AlGaN/GaN作背栅)，通过调控栅压和AlGaN/GaN异质结的周期来调节AlGaN/GaN异质结内的电子浓度，由于载流子之间的库仑相互作用，使得AlGaN/GaN异质结内的电子浓度中一处载流子浓度的涨落,必将引起石墨烯沟道载流子浓度的振荡；从而调节石墨烯二维电子气浓度的振荡，以AlGaN/GaN调控的石墨烯共振等离激元频率控制在0.3～3THz范围内；式2)为石墨烯二维等离子体波色散关系，式中ωp为石墨烯等离子体振荡角速度，ε0为真空介电常数，电子e＝1.602x10-19，物理量q，石墨烯载流子浓度ns，石墨烯有效质量m展开见式3)-式7)：
Whereε1＝1.0(Vacuum or air),ε2＝9.5(AlGaN),
石墨烯等离子体激元振荡色散关系公式如下：
其中，L为周期长度，Vbias为AlGaN/GaN上施加的偏压，石墨烯载流子运动速率vc＝106m/s，由上可知，通过调控施加在AlGaN/GaN异质结的栅压来调节石墨烯沟道内的电子浓度(见式4)，通过调节周期(见式3)和石墨烯沟道的电子浓度(见式4)调控石墨烯等离激元的振荡角速度(见式2)，使得振荡频率fp在0.3～3THz范围内(见式8)。
具体的，石墨烯的能量关系为E＝vc p,其中KF为费米波矢，通过要求抛物型E(k)＝1/2mv2的平均能量与石墨烯狄拉克线性色散的E(k)＝vc p的平均能量相等，得到了有效质量。
具体的，不同偏压和AlGaN/GaN周期长度下的石墨烯等离子体激元振荡频率(fp)如表2所示，
表2为不同偏压和周期长度下的等离子体激元频率(fp)
由表2可知：AlGaN/GaN调控石墨烯等离子体振动频率与施加在AlGaN/GaN异质结上的电压及AlGaN/GaN异质结的周期L有关(由式2)-式8)可知，通过调控施加在AlGaN/GaN异质结的栅压来调节石墨烯沟道内的电子浓度(见式4)，通过调节AlGaN/GaN异质结周期(见式3)和石墨烯沟道的电子浓度(见式4)调控石墨烯等离激元的振荡角速度(式2)，使得振荡频率fp在0.3～3THz范围内(见式8))，由表2可看出，当栅条周期为1um(即栅长0.5um)时，在偏压0.001～0.1V，等离子体激元振动频率变化范围为0.47～4.72THz；当栅条周期为4um(即栅长2um)，在偏压0.001～0.1V时，等离子体激元振动频率变化范围为0.24～2.36THz；当栅条周期为9um(即栅长4.5um)，在偏压0.001～0.1V时，等离子体激元振动频率变化范围为0.16～1.57THz。
综上可知：为使得等离激元频率在0.3～3THz范围内，通过光栅周期在1-9um(本案例所取值为周期4um，即栅长2um)，且栅压可调控范围为0.001-0.1V。
本发明实施例提供的AlGaN/GaN材料窄条阵列作为栅极调控石墨烯内的二维电子气，石墨烯本身作为二维电子气存在等离激元，而通过场效应栅极电压可连续调节AlGaN/GaN材料窄条阵列内的载流子浓度进而调节等离激元的振荡频率。本发明实施例提供的这种结构设计的巧妙之处在于：常规的石墨烯场效应管的制备是，在衬底上转移石墨烯做沟道，石墨烯上层直接覆盖介质层，而后在介质层上蒸镀金属栅极。而本发明是在衬底上制备AlGaN/GaN条栅，而后转移石墨烯做沟道，最后在石墨烯两端制备金属电极，石墨烯的沟道区是裸露的，因此和常规石墨烯场效应管相比，本发明减少了石墨烯上表面制备金属栅极时引入介质层，介质层的晶格散射与杂质散射会降低石墨烯的载流子迁移率；另一方面，常规金属作栅极电子浓度非常高，要比AlGaN/GaN材料(ns＝1.0x1013 cm-2)和石墨烯中的二维电子气浓度(ns＝1.0-8.0x1012 cm-2)高几个量级，因此等离子体波频率差别太大，而石墨烯表面等离子体波频率可调，其与太赫兹波发生共振耦合效果会更好，会产生很高的电学响应，实现高灵敏度探测。
本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件的机理主要包括：本发明采取的AlGaN/GaN材料窄条阵列和第一电极、第二电极作为栅极调控石墨烯二维电子气的结构，石墨烯与AlGaN/GaN材料接触会形成范德瓦尔斯异质结；在形成范德瓦尔斯异质结前，二维石墨烯材料的费米能级低于AlGaN/GaN半导体材料的费米能级，随着界面的形成，AlGaN/GaN半导体材料表面的负电荷会注入到二维石墨烯材料中，二维石墨烯材料中的正电荷则注入到AlGaN/GaN半导体材料表面，从而使界面处两种材料的费米能级一致；由于AlGaN/GaN半导体材料中的电荷密度较低，因此电荷会分布在AlGaN/GaN半导体材料的表面层内，该表面层即为空间电荷区，在空间电荷区中存在一个从AlGaN/GaN半导体材料体内指向表面的内建电场，使得AlGaN/GaN半导体材料表面能带向上弯曲，此时，AlGaN/GaN半导体材料表面层处于多数载流子(对于n型AlGaN/GaN材料半导体，多数载流子为负电荷)耗尽状态，其中杂质全部电离，导致自由载流子浓度较低，因此这个空间电荷区又称为耗尽层，此时界面处于耗尽状态，AlGaN/GaN半导体材料表面和内部之间形成电势差又称为耗尽层内建电势，在对AlGaN/GaN半导体材料(第一第二电极)施加偏压时，由于耗尽层是一个高阻区域，因此偏压主要落在耗尽层上，耗尽层内建电势能带随之改变；例如，对AlGaN/GaN半导体材料施加正向偏压+Vb时(从半导体材料指向二维石墨烯材料)，偏压在耗尽层中产生了方向与内建电场相同的电场，由于偏压在耗尽层中产生的电场方向与内建电场一致，因此内建电场将会增大，半导体表面能带继续向上弯曲；此时二维石墨烯材料费米能级向上移动，AlGaN/GaN半导体表面费米能级向下移动；由图6可以看出，在栅压为3.8V时，石墨烯由空穴导电转变为电子导电，由于AlGaN/GaN电子注入石墨烯，载流子逐渐耗尽，故当石墨烯载流子类型转变时，电流只上升一小段就下降；当栅压为3.8V时，即为石墨烯狄拉克点。
本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件主要研究了二维/三维范德瓦尔斯异质结界面对太赫兹波产生及调制的作用，光生载流子在二维、三维材料之间的转移，主要是由于界面耗尽层中内建电场引起的光生载流子漂移运动，使石墨烯光生空穴和电子相互分离，延长了光生载流子的寿命，这个延长的载流子寿命可显著提升光电探测器的灵敏度和光电转换效率，在光电功能器件中具有重要的应用。
此外，由于三维半导体材料较厚的趋肤深度使得光与物质相互作用强度较大，在三维材料表面会产生更多的光生载流子，这部分光生载流子在耗尽层内建电场的作用下注入到二维材料中，使得二维材料中载流子浓度上升；在太赫兹波段，二维材料中的光生载流子浓度上升会导致其光电导增大，由于二维材料中的载流子迁移率比三维半导体材料高，因此，注入到二维材料中的光生载流子显著增强了二维/三维界面对太赫兹波的衰减，这些界面效应已经被应用于主动控制的太赫兹波调制器件中。
本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件，以AlGaN/GaN异质结二维电子气作为栅极调控石墨烯沟道区二维电子气，石墨烯本身作为二维电子气存在等离激元，而通过栅极电压调控GaN/AlGaN异质结二维电子气，从而连续调节石墨烯载流子浓度，进而调节石墨烯等离激元的振荡频率；以及，本发明实施例提供的一种石墨烯太赫兹光源器件可形成石墨烯等离激元的场效应太赫兹器件，而石墨烯的高载流子迁移率可以带来器件的更高灵敏度和电学响应。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于包括石墨烯沟道区、源极、漏极和栅极，所述石墨烯沟道区设置在栅极上方，所述源极经石墨烯沟道区漏极电连接，所述栅极包括异质结、第一电极和第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极和第二电极通过所述二维电子气电连接，且所述石墨烯沟道区能够与所述异质结内的二维电子气互调。
2.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述栅极包括多个间隔设置的异质结，所述第一电极和第二电极分别与异质结中的二维电子气电连接。
3.根据权利要求2所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述异质结为条带状结构，所述多个异质结沿指定方向依次间隔排列形成条栅结构。
4.根据权利要求3所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述单个异质结的长度为3-5mm、宽度0.5-4.5um，相邻两个所述异质结之间的间距为0.5-4.5um。
5.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述异质结包括GaN/AlGaN异质结。
6.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述栅极的栅长为0.5-4.5μm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述栅极与所述石墨烯沟道区之间还设置有GaN盖帽层，所述GaN盖帽层与所述栅极、石墨烯沟道区电性配合。
8.根据权利要求1所述的石墨烯太赫兹光源器件，其特征在于：所述石墨烯沟道区包括单层石墨烯。
9.如权利要求1-8中任一项所述的石墨烯太赫兹光源器件的制作方法，其特征在于包括：
制作异质结以及第一电极、第二电极，所述异质结内形成有二维电子气，所述第一电极与第二电极通过所述二维电子气电连接，
在所述异质结上形成石墨烯沟道区；以及
制作与所述石墨烯沟道区相匹配的源极、漏极，所述源极经所述石墨烯沟道区与所述漏极电连接。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于具体包括：制作多个沿指定方向间隔排列分布的异质结，并使所述第一电极、第二电极分别与所述异质结内的二维电子气电连接；
优选的，所述的制作方法具体包括：
制作形成包含第一半导体和第二半导体的异质结，所述第二半导体设置在第一半导体上方且所述第一半导体和第二半导体之间形成有二维电子气；
采用离子注入方式对所述异质结的多个选定区域进行处理，以将所述选定区域对应的二维电子气耗尽，从而在所述异质结内的选定区域形成隔离区，所述隔离区将所述异质结分隔形成多个功能区，每一所述功能区内均形成有二维电子气；
优选的，形成所述隔离区所采用的注入离子包括氟离子。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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